O propósito deste trabalho é aumentar o conhecimento existente sobre as interações dielétricas da água confinada em materiais hidrofílicos, no regime de baixas temperaturas. Os materiais hidrofílicos (sílica gel, gesso, colágeno e álcool polivinílico - PVA) foram analisados com os recursos disponíveis na técnica de Espectroscopia de Impedância - permissividade dielétrica e impedância elétrica. Como objetivo especifico procurou-se estabelecer experimentalmente o papel das ligações hidrogênio nos processos de condução observados na água confinada e verificar a existência da transição dinâmica da água super-resfriada em T = -45ºC (228K). As substâncias examinadas possuem redes ou cadeias moleculares, com grupos polares superficiais capazes de se ligarem às moléculas de água por meio de ligações hidrogênio. Em espaços restritos de natureza hidrofílica, a água pode ser super-resfriada além do ponto de nucleação homogênea, permanecendo líquida para temperaturas inferiores a 0ºC. O entendimento de sistemas envolvendo materiais hidrofílicos - tais como sólidos, géis e macromoléculas - e a água, contribui para o desenvolvimento de novos materiais e para o entendimento dos sistemas vivos. De acordo com os resultados obtidos a condução dos íons na água confinada se dá por meio da rede formada, via ligações hidrogênio, entre as moléculas de água e a cadeia dos materiais. O espectro elétrico dos materiais estudados exibe dois processos de condução, comuns a todas as substâncias. O primeiro, é influenciado pelo nível de hidratação das amostras e está relacionado as moléculas de água distantes das superfícies. O segundo, é próprio da água confinada e possui tempos de relaxação elétricos com transições observadas em -60ºC (210K) na sílica gel, e -45ºC nos outros materiais. Também constatou-se que o tamanho da cadeia polimérica do PVA altera a dinâmica do confinamento de água: cadeias de menor peso molecular não são capazes de gerar sítios que propiciem o confinamento da água. / This work aims to increase the existing knowledge on the dielectric interactions of water confined in hydrophilic materials at low temperatures. The hydrophilic materials (silica gel, gypsum, collagen and polyvinyl alcohol - PVA) were studied with the available functions of Impedance Spectroscopy - dielectric permittivity and electrical impedance. The specific goal of this thesis is to establish the role of hydrogen bonds in the conduction processes observed in confined water and to verify the existence of the supercooled water dynamic crossover at T = -45 ºC (228K). The chosen substances have molecular chains or networks with polar surface groups connected to water molecules through hydrogen bonds. When confined in small geometries, water does not crystallize and can be supercooled bellow its homogeneous nucleation temperature. This allows the indirect investigation of supercooled confined water. The studies of systems involving hydrophilic materials - such as solids, gels and macromolecules - and water, contributes to the development of new materials and to the understanding of living systems. This study demonstrated that the conduction in the confined water occurs through the network formed by hydrogen bonds between water molecules and the chain materials. The impedance spectra of all material exhibits two conduction processes common to all the analyzed samples. While the level of hydration of the samples can influence the process of higher frequencies, the one found in lower frequencies is independent of the amount of water in the samples. The first was associated to bulk water molecules and the second is related to confined water and show the expected dynamic crossover. In addition, the size of the PVA polymeric chain alters the dynamics of water: lower molecular weight polymers are not capable of displaying the supercooled dynamic crossover.

Orientador: Herculano da Silva Martinho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2013.

Orientador: Alexandre Reily Rocha / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2014

O propósito deste trabalho é aumentar o conhecimento existente sobre as interações dielétricas da água confinada em materiais hidrofílicos, no regime de baixas temperaturas. Os materiais hidrofílicos (sílica gel, gesso, colágeno e álcool polivinílico - PVA) foram analisados com os recursos disponíveis na técnica de Espectroscopia de Impedância - permissividade dielétrica e impedância elétrica. Como objetivo especifico procurou-se estabelecer experimentalmente o papel das ligações hidrogênio nos processos de condução observados na água confinada e verificar a existência da transição dinâmica da água super-resfriada em T = -45ºC (228K). As substâncias examinadas possuem redes ou cadeias moleculares, com grupos polares superficiais capazes de se ligarem às moléculas de água por meio de ligações hidrogênio. Em espaços restritos de natureza hidrofílica, a água pode ser super-resfriada além do ponto de nucleação homogênea, permanecendo líquida para temperaturas inferiores a 0ºC. O entendimento de sistemas envolvendo materiais hidrofílicos - tais como sólidos, géis e macromoléculas - e a água, contribui para o desenvolvimento de novos materiais e para o entendimento dos sistemas vivos. De acordo com os resultados obtidos a condução dos íons na água confinada se dá por meio da rede formada, via ligações hidrogênio, entre as moléculas de água e a cadeia dos materiais. O espectro elétrico dos materiais estudados exibe dois processos de condução, comuns a todas as substâncias. O primeiro, é influenciado pelo nível de hidratação das amostras e está relacionado as moléculas de água distantes das superfícies. O segundo, é próprio da água confinada e possui tempos de relaxação elétricos com transições observadas em -60ºC (210K) na sílica gel, e -45ºC nos outros materiais. Também constatou-se que o tamanho da cadeia polimérica do PVA altera a dinâmica do confinamento de água: cadeias de menor peso molecular não são capazes de gerar sítios que propiciem o confinamento da água. / This work aims to increase the existing knowledge on the dielectric interactions of water confined in hydrophilic materials at low temperatures. The hydrophilic materials (silica gel, gypsum, collagen and polyvinyl alcohol - PVA) were studied with the available functions of Impedance Spectroscopy - dielectric permittivity and electrical impedance. The specific goal of this thesis is to establish the role of hydrogen bonds in the conduction processes observed in confined water and to verify the existence of the supercooled water dynamic crossover at T = -45 ºC (228K). The chosen substances have molecular chains or networks with polar surface groups connected to water molecules through hydrogen bonds. When confined in small geometries, water does not crystallize and can be supercooled bellow its homogeneous nucleation temperature. This allows the indirect investigation of supercooled confined water. The studies of systems involving hydrophilic materials - such as solids, gels and macromolecules - and water, contributes to the development of new materials and to the understanding of living systems. This study demonstrated that the conduction in the confined water occurs through the network formed by hydrogen bonds between water molecules and the chain materials. The impedance spectra of all material exhibits two conduction processes common to all the analyzed samples. While the level of hydration of the samples can influence the process of higher frequencies, the one found in lower frequencies is independent of the amount of water in the samples. The first was associated to bulk water molecules and the second is related to confined water and show the expected dynamic crossover. In addition, the size of the PVA polymeric chain alters the dynamics of water: lower molecular weight polymers are not capable of displaying the supercooled dynamic crossover.

Filmes de água cobrem a maior parte das superfícies em condições ambientes. O estudo dessas interfaces é crucial em biologia e em ciência dos materiais. No entanto, o completo entendimento da adsorção da água e de suas complexas redes de ligações de hidrogênio ainda não foi alcançado. Somente recentemente possuímos técnicas com a sensibilidade e seletividade para estudar estas superfícies até a última camada atômica. A espectroscopia por geração de soma de frequências (SFG) é uma técnica óptica não linear que fornece o espectro vibracional de moléculas em interfaces, sem contribuição do volume do material. A técnica SFG foi utilizada para estudar a estrutura interfacial das moléculas de água estrutural na face livre (010) do cristal natural gipsita (CaSO4 2H2O) e a adsorção de água na mesma à temperatura ambiente. Os espectros SFG na face livre (010), em atmosfera inerte, apresentaram um arranjo com anisotropia azimutal das moléculas de água estrutural com a presença de grupos OH ligados à superfície e grupos OH livre sem formar ligação de hidrogênio, apontando para fora da superfície. O arranjo anisotrópico das moléculas na face (010) é diferente daquele para as moléculas de água no volume do cristal. A adsorção de água foi estudada em equilíbrio com vapor de água em vários valores de umidade relativa. A água adsorvida na gipsita (010) também apresenta um arranjo anisotrópico, porém, diferentemente da água estrutural na superfície livre do cristal, esta apresenta um menor grau de ordenamento e suprime consideravelmente a presença de grupos OH livre. Os resultados experimentais são analisados em conjunto com simulações por dinâmica molecular ab initio realizadas por colaboradores. As simulações apresentaram boa concordância qualitativa e quantitativa com os resultados experimentais, permitindo fazer a atribuição dos espectros vibracionais experimentais, e fornecendo informações difíceis de se obter dos experimentos, como a distribuição orientacional das moléculas de água na interface e sua dinâmica de difusão espacial. / Water films cover most of surfaces under ambient conditions. The study of these interfaces is crucial in biology and materials science. However, a complete understanding of water adsorption and its complex hydrogen bonding networks has not yet been achieved. Only recently we have techniques with the sensitivity and selectivity to study these surfaces to the last atomic layer. Sum-frequency generation (SFG) is a non-linear optical technique that provides the vibrational spectrum of molecules at interfaces, without contribution from the bulk. This technique was used to study the interfacial structure of neat (010) face of Gypsum (CaSO4 2H2O) single crystals and water adsorption on the (010) face at room temperature. The SFG spectra for the neat Gypsum face (010), in inert atmosphere, presented azimuthally anisotropy arrangement of the structural water molecules with the presence of OH groups bound to the surface and free OH groups pointing out of the surface. The arrangement of water molecules on the face (010) is anisotropic but different from that of the water molecules in the bulk crystal. Water adsorption was studied in equilibrium with water vapor at several values of relative humidity. The adsorbed water also exhibited an anisotropic arrangement, however, unlike the structural water, it presents a lower ordering and the free OH groups are strongly suppressed. The experimental results are analyzed together with ab initio molecular dynamics simulations performed by collaborators. The simulations presented good qualitative and quantitative agreement with the experimental results, elucidating the assignment of the experimental vibrational spectra and yielding information that would be difficult to get from the experiments, such as the orientational distribution of interfacial water molecules and their spatial diffusion dynamics.

Filmes de água cobrem a maior parte das superfícies em condições ambientes. O estudo dessas interfaces é crucial em biologia e em ciência dos materiais. No entanto, o completo entendimento da adsorção da água e de suas complexas redes de ligações de hidrogênio ainda não foi alcançado. Somente recentemente possuímos técnicas com a sensibilidade e seletividade para estudar estas superfícies até a última camada atômica. A espectroscopia por geração de soma de frequências (SFG) é uma técnica óptica não linear que fornece o espectro vibracional de moléculas em interfaces, sem contribuição do volume do material. A técnica SFG foi utilizada para estudar a estrutura interfacial das moléculas de água estrutural na face livre (010) do cristal natural gipsita (CaSO4 2H2O) e a adsorção de água na mesma à temperatura ambiente. Os espectros SFG na face livre (010), em atmosfera inerte, apresentaram um arranjo com anisotropia azimutal das moléculas de água estrutural com a presença de grupos OH ligados à superfície e grupos OH livre sem formar ligação de hidrogênio, apontando para fora da superfície. O arranjo anisotrópico das moléculas na face (010) é diferente daquele para as moléculas de água no volume do cristal. A adsorção de água foi estudada em equilíbrio com vapor de água em vários valores de umidade relativa. A água adsorvida na gipsita (010) também apresenta um arranjo anisotrópico, porém, diferentemente da água estrutural na superfície livre do cristal, esta apresenta um menor grau de ordenamento e suprime consideravelmente a presença de grupos OH livre. Os resultados experimentais são analisados em conjunto com simulações por dinâmica molecular ab initio realizadas por colaboradores. As simulações apresentaram boa concordância qualitativa e quantitativa com os resultados experimentais, permitindo fazer a atribuição dos espectros vibracionais experimentais, e fornecendo informações difíceis de se obter dos experimentos, como a distribuição orientacional das moléculas de água na interface e sua dinâmica de difusão espacial. / Water films cover most of surfaces under ambient conditions. The study of these interfaces is crucial in biology and materials science. However, a complete understanding of water adsorption and its complex hydrogen bonding networks has not yet been achieved. Only recently we have techniques with the sensitivity and selectivity to study these surfaces to the last atomic layer. Sum-frequency generation (SFG) is a non-linear optical technique that provides the vibrational spectrum of molecules at interfaces, without contribution from the bulk. This technique was used to study the interfacial structure of neat (010) face of Gypsum (CaSO4 2H2O) single crystals and water adsorption on the (010) face at room temperature. The SFG spectra for the neat Gypsum face (010), in inert atmosphere, presented azimuthally anisotropy arrangement of the structural water molecules with the presence of OH groups bound to the surface and free OH groups pointing out of the surface. The arrangement of water molecules on the face (010) is anisotropic but different from that of the water molecules in the bulk crystal. Water adsorption was studied in equilibrium with water vapor at several values of relative humidity. The adsorbed water also exhibited an anisotropic arrangement, however, unlike the structural water, it presents a lower ordering and the free OH groups are strongly suppressed. The experimental results are analyzed together with ab initio molecular dynamics simulations performed by collaborators. The simulations presented good qualitative and quantitative agreement with the experimental results, elucidating the assignment of the experimental vibrational spectra and yielding information that would be difficult to get from the experiments, such as the orientational distribution of interfacial water molecules and their spatial diffusion dynamics.

O método Umedecimento, Compactação e Secagem (UCOS) (1, 2, 3) produz, a partir de gesso e água, um material de elevada resistência mecânica: até 90 MPa na compressão. Este trabalho apresenta o estudo do comportamento mecânico deste material e como a água, a temperatura, as impurezas e a microestrutura influenciam no seu comportamento. Durante o estudo da adesão intercristalina, foi encontrada presença de água confinada e que é responsável por grande parte da resistência mecânica. Para auxiliar o estudo, foi desenvolvido outro método: Empacotamento Direto do Dihidrato (EDD). Nesta metodologia, é produzido um material com a mesma resistência, porém com algumas diferenças no comportamento mecânico diferente. Através da elevada resistência mecânica alcançada pelos métodos UCOS e EDD, as aplicações do gesso podem ser ampliadas desde que o gesso conformado por tais métodos possuam confiabilidade e segurança. Para avaliar as propriedades mecânicas, a confiabilidade e a segurança de tal material, realizou-se o estudo dos mecanismos tenacificadores e da mecânica da fratura. Os mecanismos tenacificadores estudados neste trabalho são: controle da microestrutura (aumento da superfície de ruptura), introdução de fibras poliméricas (distribuição da tensão na ponta da trinca, ramificação da ponta da trinca e contenção da abertura da trinca) e introdução de adesivo polimérico (melhora a adesão entre cristais e distribui melhor a tensão na ponta da trinca). Os resultados mostram que os compósitos de gesso reforçados com fibras poliméricas e/ou adesivo polimérico possuem elevada resistência e comportamentos mecânicos distintos para cada tipo de compósito e método de conformação. Concluímos que, com o conhecimento adquirido, é possível intervir no processamento e na microestrutura, além de poder incorporar elementos a esse material para atender às condições de uma determinada aplicação / The humidification, compaction and drying (Umedecimento, Compactação e Secagem UCOS) (1, 2, 3) method produces a high strength material from plaster and water: up to 90 MPa in compression. This work presents the study of mechanical properties of this material and how water, temperature, impurity and microstructure influence in its behavior. During the study of the intercrystalline adhesion force, we found the presence of confined water and that it accounts for great part of the strength. In order to aid the study, another method was developed: Direct Packaging of the Dihydrate (Empacotamento Direto do Dihidrato EDD). In this methodology, it produces a material with the same resistance, but with some difference in the mechanical behavior. Through the high strength reached by the UCOS and EDD methods, the plaster applications can be extended, since the set material by these methods are reliable and safe. In order to evaluate the mechanical properties, the reliability and the safety of these pieces, we performed the study of the fracture mechanics and the fracture toughening mechanisms. In this work, the studied toughening are: microstructure control (enlargement of the fracture surface), polymeric fiber reinforcement (tension distribution on the fracture tip, fracture tip deflection, and fiber bridging), and polymer adhesive reinforcement (they enhance the adhesion between crystals and better distribute the tension on the fracture tip). The results show that the plaster composites of polymeric fibers and/or polymer adhesive have high resistance, and different mechanical behaviors for each type of composite and setting method. Based on the acquired knowledge, we conclude that it is possible to interfere on the processing and on the microstructure, as well as reinforcements in this material to satisfy the needs of a specific application

O método Umedecimento, Compactação e Secagem (UCOS) (1, 2, 3) produz, a partir de gesso e água, um material de elevada resistência mecânica: até 90 MPa na compressão. Este trabalho apresenta o estudo do comportamento mecânico deste material e como a água, a temperatura, as impurezas e a microestrutura influenciam no seu comportamento. Durante o estudo da adesão intercristalina, foi encontrada presença de água confinada e que é responsável por grande parte da resistência mecânica. Para auxiliar o estudo, foi desenvolvido outro método: Empacotamento Direto do Dihidrato (EDD). Nesta metodologia, é produzido um material com a mesma resistência, porém com algumas diferenças no comportamento mecânico diferente. Através da elevada resistência mecânica alcançada pelos métodos UCOS e EDD, as aplicações do gesso podem ser ampliadas desde que o gesso conformado por tais métodos possuam confiabilidade e segurança. Para avaliar as propriedades mecânicas, a confiabilidade e a segurança de tal material, realizou-se o estudo dos mecanismos tenacificadores e da mecânica da fratura. Os mecanismos tenacificadores estudados neste trabalho são: controle da microestrutura (aumento da superfície de ruptura), introdução de fibras poliméricas (distribuição da tensão na ponta da trinca, ramificação da ponta da trinca e contenção da abertura da trinca) e introdução de adesivo polimérico (melhora a adesão entre cristais e distribui melhor a tensão na ponta da trinca). Os resultados mostram que os compósitos de gesso reforçados com fibras poliméricas e/ou adesivo polimérico possuem elevada resistência e comportamentos mecânicos distintos para cada tipo de compósito e método de conformação. Concluímos que, com o conhecimento adquirido, é possível intervir no processamento e na microestrutura, além de poder incorporar elementos a esse material para atender às condições de uma determinada aplicação / The humidification, compaction and drying (Umedecimento, Compactação e Secagem UCOS) (1, 2, 3) method produces a high strength material from plaster and water: up to 90 MPa in compression. This work presents the study of mechanical properties of this material and how water, temperature, impurity and microstructure influence in its behavior. During the study of the intercrystalline adhesion force, we found the presence of confined water and that it accounts for great part of the strength. In order to aid the study, another method was developed: Direct Packaging of the Dihydrate (Empacotamento Direto do Dihidrato EDD). In this methodology, it produces a material with the same resistance, but with some difference in the mechanical behavior. Through the high strength reached by the UCOS and EDD methods, the plaster applications can be extended, since the set material by these methods are reliable and safe. In order to evaluate the mechanical properties, the reliability and the safety of these pieces, we performed the study of the fracture mechanics and the fracture toughening mechanisms. In this work, the studied toughening are: microstructure control (enlargement of the fracture surface), polymeric fiber reinforcement (tension distribution on the fracture tip, fracture tip deflection, and fiber bridging), and polymer adhesive reinforcement (they enhance the adhesion between crystals and better distribute the tension on the fracture tip). The results show that the plaster composites of polymeric fibers and/or polymer adhesive have high resistance, and different mechanical behaviors for each type of composite and setting method. Based on the acquired knowledge, we conclude that it is possible to interfere on the processing and on the microstructure, as well as reinforcements in this material to satisfy the needs of a specific application