Phase change and pyroelectricity in natural hemimorphite

The phase change of a natural hemimorphite sample from Minas Gerais (Brazil) was investigated by two X-ray diffraction (XRD) methods and by near-infrared reflectance spectroscopy. Applying successive thermal treatments, the crystal structure undergoes two orientation conversions. The first one occurs at about 550 degrees C, and it was revealed by the Laue method. Below 500 degrees C, the water molecules were partially expelled without changing the crystal structure. A fact that supports this statement is the sequential disappearance of the water bands at 1400 and 1900 nm by thermal treatment. The second conversion takes place below 939 degrees C. Moreover, at 972 degrees C a phase change to the willemite mineral (alpha-Zn(2)SiO(4)) has been observed. This last conversion was confirmed by the power XRD. In addition, natural hemimorphite displayed a high pyroelectricity, which is related both to the absence of inverse centre and to the presence of molecular water and hydroxyl groups in the crystal structure.

Synergistic effect of polymorphism, substrate conductivity and electric field stimulation towards enhancing muscle cell growth in vitro

Poly(vinylidene difluoride), a well-known candidate for artificial muscle patch applications is a semi-crystalline polymer with a host of attributes such as piezo- and pyroelectricity, polymorphism along with low dielectric constant and stiffness. The present work explores the unique interplay among the factors (conductivity, polymorphism and electrical stimulation) towards cell proliferation on poly(vinylidene difluoride) (PVDF)-based composites. In this regard, multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) are introduced in the PVDF matrix (limited to 2%) through melt mixing to increase the conductivity of PVDF. The addition of MWNTs also led to an increase in the fraction of piezoelectric beta-phase, tensile strength and modulus. The melting and crystallization behaviour of PVDF-MWNT together with FT-IR confirms that the crystallization is found to be aided by the presence of MWNT. The conducting PVDF-MWNTs are used as substrates for the growth of C2C12 mouse myoblast cells and electrical stimulation with a range of field strengths (0-2 V cm(-1)) is intermittently delivered to the cells in culture. The cell viability results suggest that metabolically active cell numbers can statistically increase with electric stimulation up to 1 V cm(-1), only on the PVDF + 2% MWNT. Summarising, the current study highlights the importance of biophysical cues on cellular function at the cell-substrate interface. This study further opens up new avenues in designing conducting substrates, that can be utilized for enhancing cell viability and proliferation and also reconfirms the lack of toxicity of MWNTs, when added in a tailored manner.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Pyroelectric composite film for X-ray intensity detection

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ferroelectric ceramic/polymer composite for measuring X-ray intensity in the ortovoltage range

Pyroelectric sensors work as a thermal transducer converting the non-quantified thermal flux into the output measurable quantity of electrical charge, voltage or current. Ferroelectric ceramics and ferroelectric polymers have been extensively used as thermal detectors. More recently the research in the field of pyroelectricity has been concentrated on discovering materials with higher figures of merit (FOM), which means better sensing materials. Composite materials obtained with ferroelectric ceramics embedded in polymer host have received great attention because of their formability, mechanical resistance and the possibility to change their dielectric property varying the volume fraction of ceramic particles. In this work composite films made of modified lead titanate (PZ34) and poly(ether-ether-ketone) (PEEK) were characterized and used as sensing element to measure X-ray intensity in the ortovoltage range (120 - 300 kVp). The sensor response varies from 2.70 V to 0.80 V in the energy fluency range of 6.30 to 37.20 W/m(2). Furthermore the absorbed energy was analyzed as a function of the ionizing energy. The results indicate that the PZ34/PEEK composite with 60/40 vol.% can be useful to monitor X-ray radiation therapy.

Piezo and pyroelectric radiation dosimetry

The authors review the use of photoacoustic and pyroelectric radiation dosimeters. They compare the characteristics and results obtained with a photoacoustic radiation dosimeter (PARD) and a pyroelectric radiation dosimeter (PERD). The PARD and the PERD can be used to measure the energy fluence rate of continuous X-ray beams. In the same way, the single-pulse photoacoustic radiation dosimeter and the single-pulse pyroelectric radiation dosimeter (PPERD) were compared. They can measure the energy fluence of a single pulse of X-radiation. A theoretical model to explain the results obtained with the PPERD is presented and compared with experimental results.

Electrical properties of a composite of Polyurethane and ferroelectric ceramics

Ferroelectric ceramic particles based on lead titanate zirconate (PZT) were dispersed in a polymer matrix based on castor oil. After the poling process, the pyroelectric activity of this composite was measured using a direct method in which a linear heating rate was applied to the pre-poled samples. The pyroelectric coefficient at 343 K is comparable with that of a PZT-poly(vinylidene fluoride) (PVDF) composite and significantly higher than that of PVDF. © 1998 Kluwer Academic Publishers.

Dielectric properties of Sr0.75Ba0.25Nb 2O6 thin films: Bias field, frequency and temperature dependence

Ferroelectric strontium barium niobate solid solutions had received great attention due to their excellent pyroelectric, electrooptic and photorefractive properties. Furthermore, they usually also present very interesting phase transition characteristics. In this work, polycrystalline single phase Sr 0.75 Ba 0.25 Nb 2 O 6 thin films were prepared by a hybrid chemical method and deposited on Pt/Ti/SiO 2 /Si substrates. The temperature dependence of dielectric constant was measured at different frequencies and bias field levels. The presence of two dielectric dispersion regions with relaxor characteristics was observed at distinct temperature ranges, corresponding to the ferro-paraelectric and to a structural phase transition at low temperatures, respectively. A specific dielectric dispersion region, associated with an incommensurate superstructure frequently observed in bulk samples, was not observed in this films probably due to their small grain sizes. © 2002 Taylor & Francis.