Medidas de espectroscopia Raman em cristais KDP e Nanotubos de Carbono: implementação da técnica

Atualmente, os físicos vêm desenvolvendo novas técnicas de caracterização de materiais, principalmente os novos materiais que os cientistas (de todas as áreas) estão produzindo a partir de outros já existentes como vidros, cerâmicas, polímeros, materiais semicondutores e supercondutores, materiais magnéticos, dentre outros. Seguindo esta linha, o Grupo de Física de Materiais da Amazônia vem adquirindo novas técnicas para caracterização de materiais e este trabalho marca o início da incorporação de mais uma técnica de caracterização junto ao laboratório de física da UFPA, a Espectroscopia Raman. Neste trabalho, utilizamos como amostras para realizar e testar a técnica implantada, cristais KH2PO4 (KDP) e nanotubos de carbono de parede simples (SWNT). O KDP foi escolhido devido ao fato de ter os espectros Raman muito conhecidos e ser um material de simples produção. O KDP puro ou dopado continua sendo alvo de pesquisa (teórica e/ou experimental) atual, principalmente por apresentar uma transição de fase ferroelétrica e ser um material que tem muitas aplicações nas indústrias que utilizam tecnologia de lasers, sensores, gerador de segundo e terceiro harmônico. Já os nanotubos de carbono também foram utilizados como amostras por ser um material de grande interesse científico, tecnológico e de grande aplicação no mundo moderno, pois podem ser empregados em nanotecnologia na produção de transistores e diodos, além disso, podem ser incorporados a certos materiais aumentando, assim, a resistência mecânica dos mesmos.Para as amostras de KDP foram realizadas medidas em temperatura ambiente, pressão uniaxial e temperatura. Nas medidas com a temperatura conseguimos observar o inicio da decomposição e de uma possível transição de fase em alta temperatura no KDP. As medidas com pressão uniaxial mostram que embora não se observe uma transição de fase bem definida é possível se identificar alteração que podem indicar o inicio de uma quebra de simetria devido aos efeitos de pressão. Nas amostras de nanotubos (nanotubos de paredes simples-SWNT) foram realizadas medidas de Raman em temperatura ambiente. Nessas medidas identificamos as bandas D e G bastante conhecidas as quais são reportadas em quase todos os artigos sobre esse tema. O mais importante foi a implantação da nova técnica que é uma técnica forte que pode ser aplicada em diferentes campos do conhecimento científico fortalecendo o Grupo de Física de Materiais da Amazônia.

Fluoropolymer piezoelectrets with tubular channels: resonance behavior controlled by channel geometry

Ferro- or piezoelectrets are dielectric materials with two elastically very different macroscopic phases and electrically charged interfaces between them. One of the newer piezoelectret variants is a system of two fluoroethylenepropylene (FEP) films that are first laminated around a polytetrafluoroethylene (PTFE) template. Then, by removing the PTFE template, a two-layer FEP structure with open tubular channels is obtained. After electrical charging, the channels form easily deformable macroscopic electric dipoles whose changes under mechanical or electrical stress lead to significant direct or inverse piezoelectricity, respectively. Here, different PTFE templates are employed to generate channel geometries that vary in height or width. It is shown that the control of the channel geometry allows a direct adjustment of the resonance frequencies in the tubular-channel piezoelectrets. By combining several different channel widths in a single ferroelectret, it is possible to obtain multiple resonance peaks that may lead to a rather flat frequency-response region of the transducer material. A phenomenological relation between the resonance frequency and the geometrical parameters of a tubular channel is also presented. This relation may help to design piezoelectrets with a specific frequency response.

Effect of EVA on the fresh properties of cement paste

The improved workability effect of latex in dry mortars has not been fully clarified. The purpose of this research was to investigate the influence of the EVA copolymer on the cement hydration and on the rheological properties of cement pastes. The results pointed to a minor influence of EVA on cement hydration and to a ball-bearing effect. In fact, the shear thinning behavior of reference paste at 15 min after mixing changed to shear thickening owing to the EVA addition. This behavior could be explained by the decrease in the interparticle separation distance as consequence of the solid content increase in case of shearing detachment of weakly adhered EVA particles from the cement particles surfaces. The expected EVA plasticizing effect was observed at 60 min. Such behavior points to the stabilization of EVA on the cement particles surfaces, thus resulting in a steric barrier effect.

Optical storage in azobenzene-containing epoxy polymers processed as Langmuir Blodgett films

In this study, azocopolymers containing different main-chain segments have been synthesized with diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA, DER 332, n=0.03) and the azochromophore Disperse Orange 3 (DO3) cured with twomonoamines, viz. benzylamine (BA) and m-toluidine (MT). The photoinduced birefringence was investigated in films produced with these azopolymers using the spin coating (SC) and Langmuir Blodgett (LB) techniques. In the LB films, birefringence increased with the content of azochromophore and the film thickness, as expected. The nanostructured nature of the LB films led to an enhanced birefringence and faster dynamics in the writing process, compared to the SC films. In summary, the combination of azocopolymers and the LBmethod may allow materials with tuned properties for various optical applications, including in biological systems were photoisomerization may be used to trigger actions such as drug delivery.

Femtosecond laser processing of glassy and polymeric matrices containing metals and semiconductor nanostructures

Tailoring properties of materials by femtosecond laser processing has been proposed in the last decade as a powerful approach for technological applications, ranging from optics to biology. Although most of the research output in this field is related to femtosecond laser processing of single either organic or inorganic materials, more recently a similar approach has been proposed to develop advanced hybrid nanomaterials. Here, we report results on the use of femtosecond lasers to process hybrid nanomaterials, composed of polymeric and glassy matrices containing metal or semiconductor nanostructures. We present results on the use of femtosecond pulses to induce Cu and Ag nanoparticles in the bulk of borate and borosilicate glasses, which can be applied for a new generation of waveguides. We also report on 3D polymeric structures, fabricated by two-photon polymerization, containing Au and ZnO nanostructures, with intense two-photon fluorescent properties. The approach based on femtosecond laser processing to fabricate hybrid materials containing metal or semiconductor nanostructures is promising to be exploited for optical sensors and photonics devices.

Determination of degree of ionization of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and poly[1-[4-(3-carboxy‑4 hydroxyphenylazo)benzene sulfonamido]-1,2-ethanediyl, sodium salt] (PAZO) in layer-by-layer films using vacuum photoabsorption spectroscopy

Electrostatic and hydrophobic interactions govern most of the properties of supramolecular systems, which is the reason determining the degree of ionization of macromolecules has become crucial for many applications. In this paper, we show that highresolution ultraviolet spectroscopy (VUV) can be used to determine the degree of ionization and its effect on the electronic excitation energies of layer-by-layer (LbL) films of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and poly[1-[4-(3-carboxy-4 hydroxyphenylazo)- benzene sulfonamido]-1,2-ethanediyl, sodium salt] (PAZO). A full assignment of the VUV peaks of these polyelectrolytes in solution and in cast or LbL films could be made, with their pH dependence allowing us to determine the p'K IND. a' using the Henderson-Hasselbach equation. The p'K IND. a' for PAZO increased from ca. 6 in solution to ca. 7.3 in LbL films owing to the charge transfer from PAH. Significantly, even using solutions at a fixed pH for PAH, the amount adsorbed on the LbL films still varied with the pH of the PAZO solutions due to these molecular-level interactions. Therefore, the procedure based on a comparison of VUV spectra from solutions and films obtained under distinct conditions is useful to determine the degree of dissociation of macromolecules, in addition to permitting interrogation of interface effects in multilayer films.

Electrochemically prepared polypyrrole-2-carboxylic acid films: synthesis protocols and studies on biosensors

The process for obtaining polypyrrole-2-carboxylic acid (PPY-2-COOH) films in acetonitrile was investigated using cyclic voltammetry, electrochemical quartz crystal microgravimetry (EQCM), and infrared spectroscopy (FTIR). Different potential ranges were applied during cyclic voltammetry experiments with the aim of obtaining films without and with the presence of controlled amounts of water added in acetonitrile. The FTIR spectra of the films have evidenced that cations and anions from the electrolyte solution were incorporated into the PPY-2-COOH structure, with a preferential adsorption of cations. After chemically immobilizing polyphenoloxidase (tyrosinase, PPO), PPY-2-COOH/PPO films were build for amperometric detection of catechol, establishing a linear limit of concentrations ranging from 5.0 x 10-4 to 2.5 x 10-2 mol L-1.

Molecular dynamics of poly(Ethylene Glycol) intercalated in clay, studied using 13C solid-state NMR

In this study, Cross-Polarization Magic-angle Spinning CP/MAS, 2D Exchange, Centerband-Only Detection of Exchange (CODEX), and Separated-Local-Field (SLF) NMR experiments were used to study the molecular dynamics of poly(ethylene glycol) (PEG) inside Hectorite/PEG intercalation compounds in both single- and double-layer configurations. The results revealed that the overall amplitude of the motions of the PEG chain in the single-layer configuration is considerably smaller than that observed for the double-layer intercalation compound. This result indicates that the effect of having the polymer chain interacting with both clay platelets is to produce a substantial decrease in the motional amplitudes of those chains. The presence of these dynamically restricted segments might be explained by the presence of anchoring points between the clay platelets and the PEG oxygen atoms, which was induced by the Na+ cations. By comparing the PEG motional amplitudes of the double-layered nanocomposites composed of polymers with different molecular weights, a decrease in the motional amplitude for the smaller PEG chain was observed, which might also be understood using the presence of anchoring points.

Effect of a polymeric protective coating on optical and electrical properties of poly (p-phenylene vinylene) derivatives

The resistance to photodegradation of poly [(2-methoxy-5-n-hexyloxy)-p-phenylene vinylene] (OC1OC6-PPV) films was significantly enhanced by the use of poly(vinyl alcohol) 99% hydrolyzed as protective coating. The deposition of poly(vinyl alcohol) onto OC1OC6-PPV films did not affect the absorption and the emission spectra of the luminescent polymer. The protected film showed 5% drop on the absorbance at 500nm after 270 hours of light exposure while the unprotected film completely degraded in the same conditions. The conductivity of the protected film remained stable (around 7 × 10-10 S/m) while the value for the unprotected one dropped around two orders of magnitude after 100 hours of light exposure.

Synthesis and photovoltaic performance of a fluorene-bithiophene copolymer

We present the synthesis of a copolymer structure, poly(9,9′-n-di-hexyl-2,7-fluorene-alt-2,5- bithiophene), referred to herein as LaPPS43, and its physico-chemical characterization. Thin films of this polymer mixed with phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) were used as the active layer in photovoltaic devices using the ITO/PEDOT:PSS/LaPPS43: PCBM/Ca/Al bulk heterojunction structure. The devices of different active layer thicknesses were electrically studied using J-V curves and the Photo-Celiv technique. The obtained results show that LaPPS43 combined with PCBM is a promising system for photovoltaic devices. Device performance is discussed in terms of the mean drift distance x for charge carriers. Photophysical data showed that the excitonic species are all localized in the aggregated forms. The mechanism of exciton formation and dissociation is also discussed.

Estudo da blenda PBAT/PLA com cargas.

Neste trabalho compósitos foram obtidos a partir da blenda comercial 100% biodegradável Ecovio® C2224 da BASF, uma blenda formada por 55% em massa de um copoliéster biodegradável, o Ecoflex® (poli[(adipato de butileno)-co-(tereftalato de butileno)]) e 45% em massa de PLA poli(ácido láctico). Como carga, utilizaram-se dois tipos de argilas comerciais do grupo das esmectitas, ambas predominantemente montmorilonitas: Cloisite Sódica® e Cloisite 30B®. Também foi utilizado como carga a sílica coloidal comercial Aerosil 200®, com área superficial de 200 m2/g e diâmetro médio de partícula 12nm. Os compósitos estudados, ambos contendo 5% e 10% em massa de cargas, foram preparados em uma extrusora de rosca dupla, acoplada a um reômetro de torque. O estudo foi dividido em três etapas: 1ª) etapa: Obtenção e caracterização dos compósitos de Ecovio®/ argila e Ecovio® / sílica; 2ª) etapa: Avaliação da fotodegradação do Ecovio® puro e dos compósitos obtidos; 3ª) etapa: Avaliação da biodegradabilidade do Ecovio® puro e dos compósitos após exposição em câmara de UV. As propriedades mecânicas dos compósitos antes e depois de serem submetidos à exposição em câmara de UV foram avaliadas por ensaios de resistência à tração e resistência ao impacto Izod. Os resultados obtidos na 1ª etapa deste trabalho indicaram aumento nos valores de módulo de elasticidade de todos os compósitos, em relação à blenda pura. Destacam-se as composições com 5% e 10% em massa de sílica coloidal, que apresentaram aumentos de até 115% nos valores de módulo de elasticidade, sem perdas significativas em resistência à tração, alongamento e resistência ao impacto, quando comparadas à fase matriz. Na 2ª etapa, a partir de 20 dias de exposição, todas as composições (blendas e compósitos) apresentam redução nas propriedades mecânicas em função do aumento do tempo de exposição à radiação UV. Na 3ª etapa, independente do tipo ou teor de carga presente na blenda, todas as composições apresentaram índices de biodegradabilidade, depois de 120 dias, de 40 a 60%, devido à prévia exposição à radiação UV.

Síntese enzimática de ésteres de açúcar: surfactantes e polímeros como novos materiais ambientalmente seguros

Sugar esters are substances which possess surfactant, antifungical and bactericidal actions and can be obtained through two renewable sources of raw materials: sugars and vegetable oils. Their excellent biodegradability, allied to lhe fact that they are non toxic, insipid, inodorous, biocompatible, no-ionic, digestible and because they can resist to adverse conditions of temperature, pH and salinity, explain lhe crescent use of these substances in several sections of lhe industry. The objective of this thesis was to synthesize and characterize surfactants and polymers containing sugar branched in their structures, through enzymatic transesterification of vinyl esters and sugars, using alkaline protease from Bacillus subtilis as catalyst, in organic medium (DMF).Three types of sugars were used: L-arabinose, D-glucose and sucrose and two types of vinyl esters: vinyl laurate and vinyl adipate. Aiming to reach high conversions from substrates to products for a possible future large scale industrial production, a serie of variables was optimized, through Design of Experiments (DOE), using Response Surface Methodology (RSM).The investigated variables were: (1) enzyme concentration; (2) molar reason of substrates; (3) water/solvent rale; (4) temperature and (5) time. We obtained six distinct sugar esters: 5-0-lauroyl L-arabinose, 6-0-lauroyl D-glucose, 1'-O-lauroyl sucrose, 5-0-vinyladipoyl L-arabinose, 6-0-vinyladipoyl D-glucose and 1 '-O-vinyladipoyl sucrose, being lhe last three polymerizable. The progress of lhe reaction was monitored by HPLC analysis, through lhe decrease of sugar concentration in comparison to lhe blank. Qualitative analysis by TLC confirmed lhe formation of lhe products. In lhe purification step, two methodologies were adopted: (1) chromatographic column and (2) extraction with hot acetone. The acylation position and lhe chemical structure were determined by 13C-RMN. The polymerization of lhe three vinyl sugar esters was possible, through chemical catalysis, using H2O2 and K2S2O8 as initiators, at 60°C, for 24 hours. IR spectra of lhe monomers and respective polymers were compared revealing lhe disappearance of lhe vinyl group in lhe polymer spectra. The molar weights of lhe polymers were determined by GPC and presented lhe following results: poly (5-0-vinyladipoyl L-arabinose): Mw = 7.2 X 104; PD = 2.48; poly (6-0-vinyladipoyl D-glucose): Mw = 2.7 X 103; PD = 1.75 and poly (1'-O-vinyladipoyl sucrose): Mw = 4.2 X 104; PD = 6.57. The six sugar esters were submitted to superficial tension tests for determination of the critical micelle concentrations (CMC), which varied from 122 to 167 ppm. Finally, a study of applicability of these sugar esters, as lubricants for completion fluids of petroleum wells was' accomplished through comparative analysis of lhe efficiency of these sugar esters, in relation to three commercial lubricants. The products synthesized in this thesis presented equivalent or superior action to lhe tested commercial products

Síntese enzimática de ésteres de açúcar: surfactantes e polímeros como novos materiais ambientalmente seguros

Sugar esters are substances which possess surfactant, antifungical and bactericidal actions and can be obtained through two renewable sources of raw materials: sugars and vegetable oils. Their excellent biodegradability, allied to lhe fact that they are non toxic, insipid, inodorous, biocompatible, no-ionic, digestible and because they can resist to adverse conditions of temperature, pH and salinity, explain lhe crescent use of these substances in several sections of lhe industry. The objective of this thesis was to synthesize and characterize surfactants and polymers containing sugar branched in their structures, through enzymatic transesterification of vinyl esters and sugars, using alkaline protease from Bacillus subtilis as catalyst, in organic medium (DMF).Three types of sugars were used: L-arabinose, D-glucose and sucrose and two types of vinyl esters: vinyl laurate and vinyl adipate. Aiming to reach high conversions from substrates to products for a possible future large scale industrial production, a serie of variables was optimized, through Design of Experiments (DOE), using Response Surface Methodology (RSM).The investigated variables were: (1) enzyme concentration; (2) molar reason of substrates; (3) water/solvent rale; (4) temperature and (5) time. We obtained six distinct sugar esters: 5-0-lauroyl L-arabinose, 6-0-lauroyl D-glucose, 1'-O-lauroyl sucrose, 5-0-vinyladipoyl L-arabinose, 6-0-vinyladipoyl D-glucose and 1 '-O-vinyladipoyl sucrose, being lhe last three polymerizable. The progress of lhe reaction was monitored by HPLC analysis, through lhe decrease of sugar concentration in comparison to lhe blank. Qualitative analysis by TLC confirmed lhe formation of lhe products. In lhe purification step, two methodologies were adopted: (1) chromatographic column and (2) extraction with hot acetone. The acylation position and lhe chemical structure were determined by 13C-RMN. The polymerization of lhe three vinyl sugar esters was possible, through chemical catalysis, using H2O2 and K2S2O8 as initiators, at 60°C, for 24 hours. IR spectra of lhe monomers and respective polymers were compared revealing lhe disappearance of lhe vinyl group in lhe polymer spectra. The molar weights of lhe polymers were determined by GPC and presented lhe following results: poly (5-0-vinyladipoyl L-arabinose): Mw = 7.2 X 104; PD = 2.48; poly (6-0-vinyladipoyl D-glucose): Mw = 2.7 X 103; PD = 1.75 and poly (1'-O-vinyladipoyl sucrose): Mw = 4.2 X 104; PD = 6.57. The six sugar esters were submitted to superficial tension tests for determination of the critical micelle concentrations (CMC), which varied from 122 to 167 ppm. Finally, a study of applicability of these sugar esters, as lubricants for completion fluids of petroleum wells was' accomplished through comparative analysis of lhe efficiency of these sugar esters, in relation to three commercial lubricants. The products synthesized in this thesis presented equivalent or superior action to lhe tested commercial products

Compósitos de polímeros naturais e nanopartículas metálicas

Esta tese descreve diversas estratégias de preparação assim como a caracterização de nanocompósitos com base em distintos biopolímeros. Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas, nomeadamente de Ag, Cu e Au. Estes nanomateriais apresentam um potencial prático enorme em diversas áreas, no entanto foi investigada especificamente a sua aplicação como materiais antimicrobianos. No primeiro capítulo apresenta-se uma revisão bibliográfica, onde são realçados os principais tópicos discutidos ao longo da tese. Inicialmente apresenta-se uma contextualização deste trabalho sendo seguidamente apresentadas algumas considerações sobre nanocompósitos e o seu impacto tecnológico atual. Em seguida, descrevem-se as vantagens do uso de NPs como cargas nos materiais compósitos especificamente no caso de bionanocompósitos. Foi focado o uso da celulose como matriz uma vez que foi o composto “base” usado neste trabalho. Fez-se a descrição exaustiva das metodologias existentes na literatura para a preparação dos nanocompósitos celulósicos com diferentes NPs metálicas assim como das respetivas aplicações. Dentro das aplicações, foi dado especial destaque às propriedades antimicrobianas dos materiais preparados seja a nível da sua atividade antibacteriana ou antifúngica. Esta introdução privilegia o trabalho relacionado diretamente com os sistemas descritos nos capítulos subsequentes. No segundo capítulo apresentam-se os resultados obtidos para nanocompósitos de prata em matriz celulósica. Através do uso de metodologias, tais como a síntese in situ e a pós-deposição, foram preparados diversos materiais usando dois substratos celulósicos distintos nomeadamente a celulose vegetal e bacteriana. Estes nanocompósitos foram caracterizados em termos da sua morfologia e composição química, verificando-se a importância destas características na sua atividade antibacteriana. Foi verificado que nanocompósitos com teores de Ag de 5 x 10-4 (% m/m) são suficientes para obter atividade antibacteriana. A libertação de Ag(I) foi estudada em alguns destes materiais de modo a tentar perceber o mecanismo subjacente a este tipo de nanocompósitos. No terceiro capítulo é apresentado o estudo de NPs coloidais de Ag e Au como cargas para a preparação de nanocompósitos à base de quitosano nãomodificado e modificado quimicamente (derivado solúvel em água e derivado anfifílico). Foram preparados filmes finos de espessura de 9-14 μm, caracterizando-se as suas propriedades óticas e antibacterianas. As propriedades óticas foram ajustadas, quer pela variação do teor de NPs de Ag (0,3-3,9% m/m) ou pela utilização de amostras de NPs com distribuição de tamanho de partícula distinta. Foi investigada a atividade antibacteriana tanto para bactérias Gram-negativas (Klebsiella pneumoniae e Escherichia coli) como para Gram-positivas (Staphylococcus aureus). Para nanocompósitos preparados com o quitosano não modificado verificou-se uma dependência em função do teor de Ag. No caso do uso de derivados modificados, os materiais preparados mostraram uma eficiência superior, mesmo sem NPs de Ag. No quarto capítulo é apresentada a síntese e caracterização de nanocompósitos de pululano e NPs de Ag. Neste estudo é avaliada a atividade antifúngica dos filmes compósitos preparados contra o Aspergillus niger usando protocolos padrão. Estes materiais foram preparados na forma de filmes (66-74 μm de espessura) por evaporação de solvente da mistura de pululano e coloides de Ag. Foi observado o aumento da inibição do fungo na presença dos nanocompósitos, tendo sido pela primeira vez mostrado o efeito disruptivo destes materiais sobre os esporos do A. niger através da análise das imagens de SEM. Este efeito ocorre na presença dos filmes devido à presença das cargas de NPs de Ag dispersas no pululano. O desenvolvimento de materiais de papel com NPs de Cu é um desafio devido à propensão destas espécies em oxidar sob condições ambiente. No quinto capítulo é descrita pela primeira vez o estudo comparativo do crescimento e estabilidade de NPs de Cu em celulose vegetal e bacteriana. Para além disso foi avaliado o uso de nanoestruturas com diferentes dimensionalidades como cargas, nomeadamente nanoesferas e nanofios. Foi observado que o uso de nanofios aumenta a resistência à oxidação destes nanocompósitos para tempos de exposição ao ar mais prolongados. As matrizes celulósicas apresentam comportamento distinto no crescimento e/ou adsorção das NPs de Cu. A celulose bacteriana foi o substrato mais eficiente para retardar a oxidação das NPs. A atividade antibacteriana destes nanocompósitos foi avaliada. Ao longo desta dissertação são apresentados métodos distintos para a obtenção de nanocompósitos com base em biopolímeros e NPs metálicas. Estes estudos permitiram não só a preparação de novos nanocompósitos mas também compreender e otimizar os mecanismos subjacentes à sua preparação. Ao mesmo tempo, este trabalho contribuiu para a transferência de tecnologia e conhecimento entre a área da Nanotecnologia e a área dos materiais derivados de fontes renováveis. As propriedades apresentadas por estes nanomateriais mostraram a sua possível aplicação como novos materiais antimicrobianos, no entanto é possível antecipar futuras aplicações em outras áreas tecnológicas.

Velocidade da corrosão do aço em argamassas cimentícias modificadas com polímeros

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química