Η εργασία αυτή αποτελεί τη διπλωματική εργασία που εκπονήθηκε στα πλαίσια του διατμηματικού μεταπτυχιακού προγράμματος “Ιατρική Χηµεία: Σχεδιασμός και Ανάπτυξη Φαρμακευτικών Προϊόντων” του Πανεπιστημίου Πατρών. Στη φύση, η καταλυτική οξείδωση οργανικών μορίων με υψηλή εκλεκτικότητα αποτελεί σημαντικό εργαλείο στη σύνθεση πολύπλοκων φυσικών προϊόντων και επιτυγχάνεται με εξειδικευμένα ένζυμα που έχουν ως βάση κυρίως το χαλκό και το σίδηρο. Αντικείμενο της εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και ανάπτυξη πρωτότυπων καταλυτικών συστημάτων οξείδωσης αλειφατικών δεσμών C-H με βάση τον χαλκό που εν δυνάμει προσομοιάζουν τη λειτουργία των βιολογικών συστημάτων. Εξετάστηκε μεθοδικά η σχέση χαλκού-υποκαταστάτη με τις συνθήκες της αντίδρασης σε συνάρτηση με την τόπο-και χημειοεκλεκτικότητα της αντίδρασης. Τα βέλτιστα αποτελέσματα απόδοσης και εκλεκτικότητας στην οξείδωση του κυκλοεξανίου επιτυγχάνονται σε διαλύτη ακετονιτρίλιο ή ακετόνη με νιτρικό ή τριφλικό δισθενή χαλκό σε συνδυασμό με 1,10-φαινανθρολίνη ή 4-άμινο τριαζόλη. Συγκεκριμένα επετεύχθησαν αποδόσεις 25-35% και εκλεκτικότητες Α/Κ 13-32:1. Παράλληλα έγινε σύγκριση με τα state-of-the-art συστήματα που αναφέρονται στη σύγχρονη βιβλιογραφία. Οι εκλεκτικότητες που επετεύχθησαν σε αυτήν την έρευνα είναι οι υψηλότερες που έχουν αναφερθεί όχι μόνο για συστήματα με βάση το χαλκό αλλά και με άλλα μέταλλα. Αντίθετα, τα καταλυτικά αυτά συστήματα δεν φαίνεται να είναι αποτελεσματικά στις οξειδώσεις αλλυλικών και βενζυλικών δεσμών C-H. / This work is the final year’s thesis of the inter-departmental postgraduate program “Medicinal Chemistryː Design and Development of Pharmaceutical Products” of the University of Patras. Nature uses catalytic selective oxidation of C-H bonds in order to construct complex natural products by utilizing specialized enzymes mainly based on copper or iron. The aim of the work is the design and development of novel copper-based catalytic systems capable of C-H oxidation that could mimic the performance of the biological systems. The investigation focused on the interrelationships/dependencies between the type of copper ion and ligand with the reaction conditions in relation to the observed regio- and chemoselectivity. In the oxidation of cyclohexane the best results for yield and chemoselectivity were achieved using 1,10-phenanthroline or 4-amino-1,2,4-triazole as ligands, copper (II) triflate or nitrate as metal sources and acetone or acetonitrile as solvents. Reaction yields of 25-35% and A/K ratios of 13-32 : 1 where achieved and a comparison with state-of-the-art systems from the recent literature was also made. The A/K ratios obtained in this work are the highest reported not only for copper based systems but also for other metals. In contrast, these systems showed no catalytic activity with the weaker allylic or benzylic C-H bonds.

Ο ρόλος του χαλκού είναι πολύ σημαντικός για τη σωστή λειτουργία της κυτοχρωμικής c οξειδάσης (CcO), και συνεπώς για την κυτταρική αναπνοή στους ευκαρυωτικούς και προκαρυωτικούς οργανισμούς. Η συγκρότηση της CcO στον ενδομεμβρανικό μιτοχονδριακό χώρο είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, εξαρτώμενη από πλήθος συνεργών πρωτεϊνών, υπεύθυνων για τη λειτουργική αναδίπλωση των υπομονάδων του ενζύμου και τη μεταφορά αίμης και ιόντων Cu σε αυτές. Ενώ οι πρωτεΐνες που ενέχονται στη διαδικασία είναι μάλλον γνωστές, οι μηχανισμοί μεταφοράς και ενσωμάτωσης των μεταλλικών ιόντων στα δυο ενεργά κέντρα της CcO, CuA και CuB, παραμένουν ανεξερεύνητοι. Το CuA κέντρο είναι ένα διπυρηνικό κέντρο χαλκού, του οποίου ο ρόλος εντοπίζεται στη μεταφορά e- από το κυτόχρωμα c στο καταλυτικό κέντρο CuB της CcO. Η σωστή συγκρότηση του CuA κέντρου είναι κρίσιμης σημασίας για την καταλυτική δράση του ενζύμου. Αρκετές πρωτεΐνες έχουν χαρακτηριστεί σαν ενεργοί παράγοντες στη μεταφορά ιόντων Cu στο CuA κέντρο, ο ακριβής, ωστόσο, μοριακός μηχανισμός και ρόλος της κάθε πρωτεΐνης είναι άγνωστος. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς, δυο οικογένειες πρωτεϊνών έχουν προταθεί για την εμπλοκή τους στη συγκρότηση του CuA. Η πρώτη περιλαμβάνει πρωτεΐνες που δεσμεύουν ιόντα Cu1+ με ένα συντηρημένο μοτίβο δέσμευσης H(M)x10Mx21HxM (υποθετικές πρωτεΐνες Hyp1) ενώ η δεύτερη περιλαμβάνει τις πρωτεΐνες της οικογένειας Sco, των οποίων ο ρόλος στον μηχανισμό του CuA κέντρου σαν θειορεδοξίνες ή χαλκομεταφορείς, παραμένει ασαφής. Στην παρούσα εργασία αποδείχθηκε ότι μια νέα περιπλασματική πρωτεΐνη (TtHyp1 ή PCuAC) εισάγει επιλεκτικά ιόντα Cu1+ στην Cox2 υπομονάδα της ba3-CcO του Thermus thermophilus προς σχηματισμό του φυσιολογικού διπυρηνικού TtCuA κέντρου, καθώς και ότι η Sco πρωτεΐνη του συγκεκριμένου οργανισμού (TtSco1) δεν μεταφέρει μεταλλικά ιόντα στο CuA, αλλά δρα σαν θειο-δισουλφιδική αναγωγάση ρυθμίζοντας τη σωστή οξειδωτική κατάσταση των κυστεϊνικών καταλοίπων του CuA. Οι πρωτεΐνες PCuAC, TtSco1 και TtCuA εκφράστηκαν, απομονώθηκαν και μελετήθηκαν τα βιοχημικά χαρακτηριστικά τους, η ικανότητα δέσμευσης μεταλλικών ιόντων και οι μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Επιπλέον η PCuAC χαρακτηρίστηκε δομικά με φασματοσκοπία NMR στην απο και Cu(I) μορφή της. Ο ρόλος των προκαρυωτικών Sco διερευνήθηκε περαιτέρω με μελέτες γονιδιακής ανάλυσης και την έκφραση και τον προκαταρκτικό χαρακτηρισμό μιας νέας πρωτεΐνης, PpSco1/cytc της Pseudomonas putida, πρωτεΐνης αποτελούμενης από δυο επικράτειες, Sco1 και cytc, συνδέοντας το ρόλο των Sco πρωτεϊνών με τη θεωρια περί θειρεδοξινικής τους δράσης. Καινοτομία στην παρούσα εργασία αποτέλεσε η μεθοδολογική προσέγγιση της πολλαπλής κλωνοποίησης των γονιδίων-στόχων με μια νέα τεχνολογία κλωνοποίησης (Gateway) συνδυασμένης με τοποειδική ένθεση σε πολλαπλούς πλασμιδιακούς φορείς και η ανάπτυξη high throughput τεχνικών για πολλαπλές δοκιμές έκφρασης – απομόνωσης. Η συγκεκριμένη μελέτη παρέχει νέα δεδομένα για το μηχανισμό τη συγκρότησης του CuA κέντρου της προκαρυωτικής CcO, υποστηρίζοντας ένα νέο μοντέλο για τη συγκεκριμένη διαδικασία και παράλληλα συνδράμει στην αποκρυπτογράφηση του πολύπλοκου ρόλου των Sco πρωτεϊνών. / Copper is essential for the correct assembly and function of the cytochrome c oxidase (CcO), thus for the efficient cellular respiration in both eukaryotes and prokaryotes. CcO assembly in the inner mitochondrial membrane space is a multi complicated procedure, depended on a number of co-factors and their synergic action. These co-factors are proteins commissioned with the correct folding of the enzyme subunits and the transport/incorporation of heme moieties and Cu ions to them. While the proteins involved in this multistep procedure are rather known, the mechanisms of metal ion delivery and incorporation within the two active centers of CcO, CuA and CuB, still remain uncharted. The CuA center is a binuclear copper center, whose part in the respiratory chain is spoted in electron transport from the active cytochrome c to the catalytic CuB center of CcO. Efficient CuA assembly is crucial for the catalytic action of the entire enzyme. Several proteins have been characterized as essential factors for the transport of Cu ions to the CuA center; however their exact molecular mechanism of action still remains obscure. In prokaryotes, two protein families have been suggested to be involved in the CuA assembly. The first includes proteins that bind Cu1+ ions through a potential conserved motif H(M)x10Mx21HxM (hypothetical proteins, Hyp1), while the second includes proteins of the Sco family, whose exact role in CuA assembly as thioredoxins or copper chaperones is widely debated. In this work, it is propesed that a new periplasmic protein (TtHyp1 or PCuAC) selectively inserts Cu1+ ions in the Cox2 subunit of the ba3-CcO of Thermus thermophilus resulting the formation of the physiological binuclear TtCuA center, as well as that the Sco protein of the organism (TtSco1) is not able to transfer metal ions to the CuA center; instead it acts rather like a thio-disulfide reductase adjusting the proper redox state of the CuA cysteine residues. Proteins PCuAC, TtSco1 and TtCuA were over-expressed, purified and subjected to biochemical characterization, while their Cu binding capability and their inter se interactions were studied through NMR and UV spectroscopy. In addition, PCuAC was structurally characterized through NMR in its apo and Cu(I) form. The role of Sco proteins was further investigated through genome based analysis and the expression and biochemical characterization of a new protein, PpSco1/cytc from Pseudomonas putida, a unique bacterial protein consisted on two domains, a Sco1 and a cytc domain, presumptively connecting the role of Sco proteins with the suggested theory of thioredoxin action. A novelty in this work was the methodological aspect of the multiple cloning of the target genes with a new cloning technology (Gateway) combined with site specific recombination into multiple expression plasmid vectors and the development of a high throughput technique for parallel expression/purification tests. The infra work provides new insights to the CuA center assembly molecular mechanism of the prokaryotic CcO, supporting a new model for the particular procedure and also subscripts for the decipherment of the complicated role of Sco proteins.

Στην εργασία αυτή προχωρήσαμε στη μελέτη της αλληλεπίδρασης των ιόντων δισθενούς χαλκού, Cu2+ με στατιστικά συμπολυμερή P(ANa-co-SSNa) του ακρυλικού οξέος, (ANa) με το στυρενοσουλφονικό οξύ (SSNa). Συντέθηκαν τα συμπολυμερή P(ANa50-co-SSNa) και P(AΝa80-co-SSNa) που περιέχουν 50 mol% και 80 mol% ακρυλικού οξέος αντίστοιχα. Τα συμπολυμερή αυτά χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού 1H NMR. Προχωρήσαμε στην φυσικοχημική μελέτη της αλληλεπίδρασης ιόντων δισθενούς χαλκού, Cu2+, με τα συμπολυμερή P(ANa50-co-SSNa) και P(AΝa80-co-SSNa) χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές όπως η θολομετρία, η ιξωδομετρία και η φασματοσκοπία UV-vis. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε υδατικά διαλύματα, στα οποία χρησιμοποιήθηκε ως διαλύτης τρισαπιονισμένο νερό, H2O-3D. Για λόγους σύγκρισης μελετήθηκαν επίσης τα αντίστοιχα ομοπολυμερή των μονομερών που αποτελούν τα συμπολυμερή P(ANa-co-SSNa). Έτσι, πραγματοποιήθηκε φυσικοχημική μελέτη της αλληλεπίδρασης των ιόντων Cu2+ με το πολυ(ακρυλικό νάτριο), PANa, και το πολυ(στυρενοσουλφονικό νάτριο), PSSNa, αντίστοιχα. Από την ιξωδομετρική μελέτη προέκυψε πως η εισαγωγή ιόντων χαλκού Cu2+ σε υδατικό διάλυμα πολυμερούς οδηγεί στην μείωση του ανηγμένου ιξώδους. Μάλιστα η μείωση αυτή είναι πιο δραστική καθώς αυξανεται η συγκέντρωση ιόντων Cu2+ στο διάλυμα. Αυτή η συμπεριφορά αποτελεί ένδειξη της συμπλοκοποίησης των ιόντων χαλκού, Cu2+, με τις ομάδες καρβοξυλίων του ακρυλικού οξέος (ΑΑ). Διαπιστώθηκε πως στα συμπολυμερή P(ANa-co-SSNa) τα Cu2+ συμπλοκοποιούνται με τα καρβοξύλια του ακρυλικού οξέος σε αναλογία ιόντων χαλκού προς ομάδες καρβοξυλίων ίση με 1:2. Όσον αφορά στην μελέτη με UV-vis, ενώ στην περίπτωση του ομοπολυμερούς PSSNa δεν υπάρχει κάποια ιδιαίτερη αλληλεπίδραση τύπου συμπλόκου ένταξης μεταξύ του πολυμερούς και των ιόντων του Cu2+, στην περίπτωση του συμπολυμερούς Ρ(ΑNa50-co-SSNa), παρατηρήθηκε μετατόπιση του σήματος των ιόντων Cu2+ (από τα 800 στα 745 nm) παρουσία του συμπολυμερούς. Αυτό είναι χαρακτηριστικό του σχηματισμού συμπλόκου ένταξης μεταξύ των ιόντων του Cu2+ και των ομάδων COO- του συμπολυμερούς. / In the present work we studied the interaction of bivalent copper ions Cu2+ with random copolymers P(ANa-co-SSNa) of acrylic acid (ANa) and styrenesulfonic acid (SSNa). Two copolymers, P(ANa50-co-SSNa) and P(AΝa80-co-SSNa) with 50 mol% and 80 mol% in acrylic acid, respectively, were synthesized and characterized by neutron magnetic resonance spectroscopy, 1H NMR. We proceeded in the physicochemical study of the interaction of bivalent copper ions, Cu2+, with P(ANa50-co-SSNa) and P(AΝa80-co-SSNa) copolymers using techniques like turbidimetry, viscometry and UV-vis spectroscopy. The experiments were performed in aqueous media using 3D water, H2O-3D. For reasons of comparison the respective homopolymers of sodium polyacrylate, PANa, and poly(styrene sulfonate), PSSNa, were also studied. From viscometry it was found that the introduction of copper ions in the polymer aqueous solutions leads to the decrease of the reduced viscosity. Moreover, this decrease is more pronounced as the concentration of Cu2+ increases in the solution. This behavior is indicative of the complexation between Cu2+ with the carboxylate groups of acrylic acid (ΑΑ). In the P(ANa-co-SSNa)/Cu2+ system, it was found that complexation occurs when the ratio of copper ions to carboxylates is equal to 1:2. UV-vis spectroscopy showed that, while in the case of PSSNa homopolymer there is not strong interaction with Cu2+, in the case of the Ρ(ΑNa50-co-SSNa) copolymer, the introduction of the polymer lead to a shift of the maximum absorbance of Cu2+ (from 800 to 745 nm). This was due to the complexation of Cu2+ with the COO- groups of the copolymer.

Στις ηλεκτρικές μηχανές ο υπολογισμός των απωλειών και οι μηχανισμοί που τις προκαλούν αποτελούν ένα πολύ απαιτητικό αντικείμενο μελέτης. Τα τελευταία χρόνια καθώς αυξάνεται η ανάγκη για ολοένα και πιο αποδοτικές μηχανές μεγάλο κομμάτι της έρευνας έχει επικεντρωθεί στον υπολογισμό των απωλειών τους και πιο συγκεκριμένα στον υπολογισμό των απωλειών σιδήρου. Οι απώλειες σιδήρου ή αλλιώς απώλειες πυρήνα αποτελούν σημαντικό μέρος των απωλειών μια μηχανής, ταυτόχρονα όμως ο υπολογισμός τους εμφανίζει ιδιαίτερη δυσκολία. Στην παρόυσα διπλωματική εργασία η προσπάθεια επικεντρωνεται στον υπολογισμό αυτών των απωλειών σε μια ασύγχρονη μηχανή με διάφορες μεθόδους. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα σιδηρομαγνητικά υλικά και στις ιδιότητες τους. Αρχικά παρουσιάζεται το φαινόμενο της μαγνήτισης και του κορεσμού. Στη συνέχεια μελετάται το φαινόμενο της υστέρησης και οι ιδιότητες της που παίζουν καθοριστικό ρόλο στις απώλειες του πυρήνα της μηχανής, αλλά και το φαινόμενο των δινορευμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετώνται οι απώλειες της μηχανής. Με ποιό τρόπο δηλαδή το φαινόμενο της υστέρησης και των δινορευμάτων πρoκαλούν απώλειες στη μηχανή και με ποια μορφή εμφανίζονται. Παρουσιάζονται ακόμα οι μηχανισμοί που συνδέονται με τις απώλειες χαλκού, επιδερμικό φαινόμενο και φαινόμενο γειτνίασης και ο ρόλος τους. Παρουσιάζεται επίσης μια βιβλιογραφική έρευνα σχετικά με τις διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των απωλειών σιδήρου. Το τρίτο κεφάλαιο αποτελεί ουσιαστικά μια εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος και πιο συγκεκριμένα στον αντιστροφέα τάσης με τεχνική PWM. Σημαντικός θεωρείται ο τρόπος με τον οποίο διαμορφώνεται η τάση εισόδου στη μηχανή, αλλά και η μορφή της, καθώς επηρεάζει άμεσα τις απώλειες σιδήρου της μηχανής. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο βρίσκουν εφαρμογή όλα τα παραπάνω. Η εργασία γίνεται με τη βοήθεια ενός μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων, δύο διαστάσεων, μιας ασύγχρονης μηχανής βραχυκυκλωμένου κλωβού. Αρχικά η μηχανή τροφοδοτείται από μια ημιτονοειδή τάση είσόδου. Υπολογίζονται οι απώλειες χαλκού και στη συνέχεια οι απώλειες σιδήρου με τη βοήθεια υπολογιστικών μεθόδων ανάλυσης του μαγνητικού πεδίου σε σειρές Fourier. Τέλος μελετάται η μορφή του μαγνητικού πεδίου σε διάφορα σημεία της μηχανής και οι απώλειες που εμφανίζεται σε κάθε στοιχείο του μοντέλου ανά περίπτωση. Τα βήματα αυτά επαναλαμβανονται τροφοδοτώντας αυτή τη φορά τη μηχανή μέσω αντιστροφέα τάσης με τεχνική PWM. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα από κάθε περίπτωση εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα για τις απώλειες της μηχανής και τη συμπεριφορά των μηχανισμών που τις προκαλούν. / In electrical machines the calculation of loss and the mechanisms that cause them are a very demanding subject of study. Recently, the increasing need for ever more efficient machines has made the research focus on the calculation of their losses and more specifically the calculation of the iron losses. The iron losses or core losses, constitute an important part of the total machine losses, but also their calculation is particularly difficult. In this thesis we focus on the calculation of these losses in an asynchronous machine using various methods. More specifically, the first chapter is an introduction to the properties of ferromagnetic materials. First, we study the phenomenon of magnetization and saturation and then we examine the phenomenon of hysteresis and its properties which play a crucial role in the core losses of the machine. Finally we study eddy current phenomenon. In the second chapter we discuss the losses of the machine. In which way the phenomenon of hysteresis and eddy currents generate losses in the machine and the form in which they appear. Also presented are the mechanisms associated with the copper losses, skin effect and proximity effect. Also shown is a literature survey on various methods used to calculate the iron losses. The third chapter is essentially an introduction to power electronics, and more particularly to the PWM technique. Important in this chapter is the way in which the input voltage to the machine affects the iron losses. In the fourth and final chapter we produce results of the above theory using simulation methods. The work is done using a finite element model in two dimensions of a squirrel cage asynchronous machine. Initially the machine is fed by a sinusoidal input voltage. Firstly copper losses are calculated and then the iron losses with the help of computational methods which analyze the magnetic induction in Fourier series. Finally, we study the shape of the magnetic field in different parts of the machine and the losses occurring in each element of the model in each case. These additional losses are known as rotational core losses. These steps are repeated, this time powering the machine via inverter supply using the PWM technique.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός προηγμένων υλικών για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις. Στα πλαίσια αυτής, επικεντρωθήκαμε στην ανάπτυξη και μελέτη μαγνητικών και ημιαγωγικών λεπτών υμενίων που βασίζονται σε οξείδια παραδοσιακών μετάλλων και ημιαγωγών. Ο μαγνητικός και οπτικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών υπό τη μορφή της νανοδομής του λεπτού υμενίου, αποκαλύπτουν νέες ιδιότητες με εξαιρετικά μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, έγινε καταρχήν ανάπτυξη πολυστρωματικών μαγνητικών υμενίων Ni/NiO, μονοστρωματικών ημιαγωγικών υμενίων Cu2O, CuO και NiO, όπως επίσης και μονοστρωματικών άμορφων μονωτικών υμενίων SiOx με ή και χωρίς ενσωματωμένες κβαντικές τελείες Si. Για κάθε σειρά υμενίων από τις κατηγορίες αυτές, έγινε μελέτη των μαγνητικών ή/και των οπτικών τους ιδιοτήτων. Τα υμένια Ni/NiO αναπτύχθηκαν σε διαφορετικά υποστρώματα με τη χρήση μιας μόνο κεφαλής magnetron sputtering και της μεθόδου της φυσικής οξείδωσης. Η διαστρωμάτωση του υλικού και η επαναληψιμότητα της μεθόδου αποδείχθηκαν εξαιρετικής ποιότητας. Για υμένια Ni/NiO με διαφορετικό πάχος στρώματος Ni έγινε εκτεταμένη μελέτη της εξάρτησης της μαγνήτισης και της ανισοτροπίας από τη θερμοκρασία. Βρέθηκε ότι τα υμένια με λεπτά στρώματα Ni εμφανίζουν τάση για κάθετη μαγνητική ανισοτροπία, η οποία προέρχεται από την υπολογίσιμη θετική ανισοτροπία επιφανείας που επιδεικνύουν αυτά. Τα ημιαγωγικά υμένια οξειδίων του Cu και του Νi αναπτύχθηκαν μετά από οξείδωση υμενίων των αντίστοιχων μεταβατικών μετάλλων. Τα άμορφα μονωτικά υμένια SiOx αναπτύχθηκαν με τη τεχνική της “reactive” ιοντοβολής. Στη συνέχεια, μέρος αυτών οξειδώθηκε πλήρως μετά από θέρμανση σε θερμοκρασία 950 οC και σε περιβάλλον αέρα, ενώ κάποια άλλα υποβλήθηκαν σε θερμική αποσύνθεση μετά από θέρμανση σε συνθήκες κενού στους 1000 οC. Με τη διαδικασία της θερμικής αποσύνθεσης, όπως αποδεικνύουν και οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, σχηματίζονται νανοκρύσταλλοι Si ενσωματωμένοι σε άμορφη μήτρα οξειδίου του Si. Για τα υμένια των οξειδίων του Cu και του Ni μελετήθηκαν με τη χρήση της φασματοσκοπίας UV-VIS τα φαινόμενα κβαντικού περιορισμού που παρουσιάζουν αυτά. Βρέθηκε ότι σε κάθε περίπτωση εμφανίζεται μετατόπιση της ακμής απορρόφησης προς μεγαλύτερες ενέργειες, καθώς το πάχος του υμενίου μειώνεται και γίνεται συγκρίσιμο με την εξιτονική ακτίνα Bohr του αντίστοιχου υλικού. Τα υμένια SiOx βρέθηκε ότι μετά από τη διαδικασία της θερμικής τους αποσύνθεσης παρουσιάζουν φωτοφωταύγεια, η οποία προέρχεται από τις εξιτονικές επανασυνδέσεις στις κβαντικές τελείες Si που εμπεριέχονται σ’ αυτά. Από την εργασία στα πλαίσια αυτής της Διατριβής, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να μεταβάλλουμε τις ιδιότητες παραδοσιακών υλικών, όπως είναι για παράδειγμα τα μέταλλα, οι κλασσικοί ημιαγωγοί και τα οξείδια αυτών, όταν αυτά αναπτύσσονται υπό τη μορφή νανοδομών. Οι νανοδομές αυτές μπορεί να εμφανίζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις με καινούργιες αλλά κι εντελώς ελεγχόμενες ιδιότητες. / The objective of this Thesis is the growth and the characterization of high tech materials which can be possible candidates for future applications in nanodevices. In the framework of the Thesis, we were mainly focused on the production and the study of magnetic and semiconducting thin films, which are based on oxides of metals and of conventional semiconductors. The magnetic and optical characterizations reveal that these materials, in the form of thin films exhibit new properties with exceptionally large technological interest. In more detail, magnetic Ni/NiO multilayers, semiconducting Cu2O, CuO and NiO thin films, as well as insulating amorphous SiOx thin films with or without embedded Si quantum dots, were produced. The magnetic and/or optical properties of each of the aforementioned thin film categories were studied and their impact on possible future applications was examined. The Ni/NiO multilayers were produced on various substrates with the aid of a single magnetron sputtering head and the natural oxidation process. The produced multilayers were of excellent layering and interface quality. An extended study of both the magnetization and the anisotropy as a function of the temperature and the varying Ni layer thickness was performed. It is found from the magnetic investigations, that the multilayers with thin Ni layers exhibit a trend for perpendicular magnetic anisotropy, which is attributed to the considerable positive surface anisotropy of the Ni/NiO interfaces. The semiconducting copper and nickel oxide thin films were produced via the oxidation of the corresponding metallic films. The amorphous SiOx films were fabricated via the reactive sputtering method. Part of the as deposited films was fully oxidized at 950 oC under the ambient air environment, whereas another part was thermally decomposed under vacuum conditions at 1000 oC. Electron microscopy investigations reveal that upon the thermal decomposition process of the films, embedded Si nanocrystals are formed in the amorphous matrix of the Si oxide. The Cu and Ni oxide films exhibited quantum confinement effects, which were studied via the UV-VIS spectroscopy. The recorded spectra reveal that the absorption edge shifts towards higher energies, as the layer thickness is reduced and becomes comparable with the excitonic Bohr radius of the material. The Si oxide thin films, after the thermal decomposition treatment are found to exhibit photoluminescence at the region between 1.3 and 1.5 eV which is originated to the excitonic recombination in the embedded Si quantum dots. Finally, it is deduced that conventional materials like metals, semiconductors and the oxides of them, can exhibit new properties when they are prepared in the form of nanostructure. These nanostructures can attract a lot of interest for possible applications in nanodevices with new but completely controllable properties.

Τα τελευταία χρόνια διεξάγεται µια έντονη ερευνητική προσπάθεια µε στόχο την ανά- πτυξη αποτελεσµατικών καταλυτών για την εκλεκτική οξείδωση του CO παρουσία περίσσειας H2. Το ενδιαφέρον για αυτήν την διεργασία εντοπίζεται στην εφαρµογή της για τον καθαρισµό από το περιεχόµενο CO, πλούσιων σε Η2 αέριων µιγµάτων τα οποία χρησιµοποιούνται ως καύσιµο σε κυψελίδες καυσίµου τύπου PEM. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκαν οι καταλυτικές ιδιότητες τριών συ- στηµάτων: Au/α-Fe2O3, Pt/γ-Al2O3 και CuO-CeO2, για την εν λόγω διεργασία. Η µελέτη εντοπί- στηκε, κατά κύριο λόγο, στους καταλύτες CuO-CeO2, οι οποίοι δε περιέχουν πολύτιµο µέταλλο. Στους εν λόγω καταλύτες, παράµετροι της µελέτης ήταν η µέθοδος παρασκευής, η φόρτιση των καταλυτών σε ενεργό φάση και η θερµοκρασία ενεργοποίησής τους. Σε κάθε περίπτωση εξετά- στηκε η ενεργότητα, εκλεκτικότητα και σταθερότητα των καταλυτών, καθώς και η ανθεκτικότητά τους στην παρουσία CO2 και Η2Ο στην τροφοδοσία. Για το χαρακτηρισµό των καταλυτών χρησι- µοποιήθηκαν: α) φασµατοσκοπία ατοµικής απορρόφησης, β) ρόφηση Ν2, γ) περίθλαση ακτίνων Χ, δ) ηλεκτρονική µικροσκοπία, ε) θερµοσταθµική ανάλυση, στ) φασµατοσκοπία φωτοηλεκτρο- νίων ακτίνων Χ και ζ) δυναµικά πειράµατα µε προγραµµατισµό θερµοκρασίας. Επιπλέον, κινητι- κές µελέτες πραγµατοποιήθηκαν σε επιλεγµένα δείγµατα CuO-CeO2. Οι καταλύτες CuO-CeO2 βρέθηκαν να έχουν σχεδόν ιδανική εκλεκτικότητα σε θερµο- κρασίες µικρότερες από 130οC. Ενεργοί και εξαιρετικά εκλεκτικοί καταλύτες CuO-CeO2 παρα- σκευάστηκαν µε διαφορετικές τεχνικές, και εµφάνισαν µεγάλη σταθερότητα µε το χρόνο αντί- δρασης και ικανοποιητική ανθεκτικότητα στην παρουσία Η2Ο και CO2. H σειρά ενεργότητας των καταλυτών, µε βάση τη µέθοδο παρασκευής τους, ήταν: (sol-gel) > (καύση) > (κιτρικά-υδρο- θερµική) > (συγκαταβύθιση) > (εµποτισµός). Ο βέλτιστος καταλύτης CuO-CeO2, ο οποίος παρα- σκευάστηκε µε τεχνική sol-gel, έδωσε ~99% µετατροπή του CO, µε ~87% εκλεκτικότητα, στους 175οC, σε συνθήκες εκλεκτικής οξείδωσης του CO (παρουσία CO2 και Η2Ο). Γενικά, η ένταση της αλληλεπίδρασης CuO-CeO2 βρέθηκε να εξαρτάται από τη θερµοκρασία ενεργοποίησης των καταλυτών. Σε χαµηλές θερµοκρασίες ενεργοποίησης η προω- θητική δράση της δηµήτριας εντοπίζεται στην αύξηση της ειδικής επιφάνειας των καταλυτών και στη δηµιουργία νέων ενεργών κέντρων, πιθανά στη διεπιφάνεια των δύο φάσεων. Απ’ την άλλη πλευρά, η ένταση της αλληλεπίδρασης ενισχύεται σε υψηλές θερµοκρασίες ενεργοποίησης, µε συνέπεια την αύξηση της εγγενούς ενεργότητας των ενεργών κέντρων. Στα περισσότερα καταλυ- τικά δείγµατα το οξείδιο του χαλκού βρισκόταν πολύ καλά διασπαρµένο στην επιφάνεια της δηµήτριας. Επιπλέον, η παρουσία και σταθεροποίηση ιόντων Cu1+ στους καταλύτες που παρα- σκευάστηκαν µε καύση, συγκαταβύθιση και sol-gel, και ενεργοποιήθηκαν σε υψηλές θερµοκρασίες, αποτελεί ένδειξη ισχυρής αλληλεπίδρασης ανάµεσα στο οξείδιο του χαλκού και στη δηµήτρια, µε αποτέλεσµα την εισχώρηση ιόντων Cu1+ στα πρώτα επιφανειακά στρώµατα της δηµήτριας. Κινητικά µοντέλα βασιζόµενα σε έναν οξειδοαναγωγικό µηχανισµό, µπορούν να περι- γράψουν τις αντιδράσεις οξείδωσης του CO και του Η2, τόσο στο καθαρό CuO, όσο και στους κα- ταλύτες CuO-CeO2. H αλληλεπίδραση ανάµεσα στο CuO και τη δηµήτρια έχει ως αποτέλεσµα την ευκολότερη αναγωγή των οξειδωµένων ενεργών κέντρων, σε σχέση µε το καθαρό CuO. Η ευχερέστερη αναγωγή αυτών των κέντρων από το CO, σε σχέση µε το Η2, είναι η αιτία της υψη- λής εκλεκτικότητας των καταλυτών CuO-CeO2. Η ενεργότητα των καταλυτών Au βρέθηκε να εξαρτάται από την επιφανειακή συγκέ- ντρωση του Au, γεγονός που καταδεικνύει τη σηµασία ύπαρξης καλώς διασπαρµένων νανοσωµα- τιδίων Au (µεγέθους ~3 nm), για την επίτευξη υψηλής καταλυτικής ενεργότητας. Την καλύτερη συµπεριφορά παρουσίασε το δείγµα µε 2.94 wt% Au, για το οποίο προσδιορίστηκε η µεγαλύτερη τιµή επιφανειακής συγκέντρωσης Au. Με αυτό το δείγµα επιτεύχθηκε µετατροπή του CO µεγαλύτερη από 99% (µε 52% εκλεκτικότητα), στους 100οC, σε ρεαλιστικές συνθήκες εκλεκτικής oξείδωσης του CO (παρουσία CO2 και Η2Ο). Η σύγκριση της καταλυτικής συµπεριφοράς καταλυτών Au/α-Fe2O3, Pt/γ-Al2O3 και CuOCeO2 έδειξε ότι σε σχετικά χαµηλές θερµοκρασίες λειτουργίας (<80oC) ο καταλύτης Au/α-Fe2O3 εµφανίζει τη βέλτιστη συµπεριφορά για την εκλεκτική οξείδωση του CO. Σε υψηλότερες θερµοκρασίες, καλύτερα αποτελέσµατα έδωσαν οι καταλύτες CuO-CeO2, ο οποίοι ήταν αντί- στοιχα ενεργοί, και σε κάθε περίπτωση πιο εκλεκτικοί από τον καταλύτη Pt/γ-Al2O3. Η παρουσία H2O και CO2 στο αντιδρόν µίγµα προκάλεσε σηµαντική µείωση στην ενεργότητα των καταλυτών Au/α-Fe2O3 και CuO-CeO2, αλλά δεν επηρέασε, τουλάχιστον αρνητικά, την ενεργότητα του Pt/γ- Al2O3. Οι καταλύτες CuO-CeO2 και Pt/γ-Al2O3 παρουσίασαν σταθερή καταλυτική συµπεριφορά για το χρονικό διάστηµα που εξετάστηκαν σε ρεαλιστικές συνθήκες αντίδρασης (7-8 ηµέρες), σε αντίθεση µε τον καταλύτη Au/α-Fe2O3. / The development of efficient catalysts for the selective oxidation of CO in the presence of excess H2 is the goal of intense research effort during the last years, due to the application of this process in removal of CO from H2-rich gas mixtures, which are used as fuel in PEM fuel cells. The catalytic properties of three systems: Au/α-Fe2O3, Pt/γ-Al2O3 και CuO-CeO2, were investigated for the title process of the present thesis. The study was focused mainly on the CuOCeO2 catalysts, which do not contain a noble metal. Parameters of the study were: the preparation method, the metal loading and the activation temperature. The activity, selectivity and stability of catalysts, and also their tolerance in the presence of CO2 and Η2Ο in the feed, were examined. The catalysts were characterized by: a) atomic adsorption spectroscopy, b) N2 adsorption, c) X-ray diffraction, d) electron microscopy, e) thermogravimetry, f) X-ray photoelectron spectroscopy and g) temperature-programmed dynamic tests. Additionally, kinetic studies were performed with selected CuO-CeO2 samples. CuO-CeO2 catalysts were found to be almost ideally selective in temperatures lower than 130οC. Active and selective CuO-CeO2 catalysts were prepared with various techniques, and showed high stability with time on stream and good resistance towards Η2Ο and CO2. Based on the preparation method, the activity ranking of the catalysts was: (sol-gel) > (combustion) > (citrate- hydrothermal) > (coprecipitation) > (impregnation). The best CuO-CeO2 catalyst, prepared with a sol-gel technique, showed ~99% CO conversion, with ~87% selctivity, at 175οC (in the presence of CO2 and Η2Ο). The interaction intensity between copper oxide and ceria was generally found to depend on the activation temperature of the catalysts. At low activation temperatures, the promoting effect of ceria causes enhancement of surface area and creation of additional active sites, probably at the interface of the two phases. On the other hand, the interaction is enhanced at high activation temperatures, resulting in increase of intrinsic activity of active sites. In most of the catalytic samples, copper oxide was well dispersed on the ceria surface. In addition, the presence and stabilization of Cu1+ ions in the catalysts that were prepared with combustion, coprecipitation and sol-gel, and were activated at high temperatures, indicates the presence of strong interaction between copper v oxide and ceria, resulting to the penetration of Cu1+ ions into the first surface layers of ceria. Kinetic models, based on the redox mechanism, can describe the oxidation reactions of CO and Η2, for both pure CuO and CuO-CeO2 catalysts. The interaction between CuO and ceria results in easier reduction of oxidized active sites, compared to pure CuO. The easier reduction of these sites from CO, compared to Η2, is the cause of high selectivity of CuO-CeO2 catalysts. The activity of gold catalysts was found to depend on the surface concentration of Au, implying that well-dipersed gold nanoparticles (size of ~3 nm) are essential for the achievement of high catalytic activity. The best performance was found for the sample with 2.94 wt% Au, which had the highest value of surface concentration of gold. In this case, CO conversion higher than 99% (with 52% selectivity) was obtained at 100οC, under realistic conditions of selective CO oxidation (in the presence of CO2 and Η2Ο). Comparison of the catalytic performance of Au/α-Fe2O3, Pt/γ-Al2O3 and CuO-CeO2 catalysts, showed that the Au/α-Fe2O3 catalyst is superior for the selective oxidation of CO at relatively low operation temperatures (<80oC). At higher temperatures, best results were obtained with the CuO-CeO2 catalysts, which proved to be comparably active, and in any case more selective than the Pt/γ-Al2O3 catalyst. The presence of H2O and CO2 in the reactant mixture caused a significant decrease in the catalytic activity of Au/α-Fe2O3 and CuO-CeO2 catalysts, but didn’t affect, at least negatively, the activity of Pt/γ-Al2O3. With the exception of Au/α-Fe2O3, the CuO-CeO2 and Pt/γ-Al2O3 catalysts exhibited a stable catalytic performance for at least 7-8 days under realistic reaction conditions.

Διερευνήθηκε η δέσμευση/αποδέσμευση ιόντων Cu(II) ή/και αντίθετα φορτισμένων επιφανειοδραστικών ενώσεων από συμπολυμερή τύπου κτένας. Ο κεντρικός σκελετός ήταν το πολυ(ακρυλικό νάτριο), PANa, ενώ οι πλευρικές αλυσίδες ήταν το Πολυ(Ν,Ν-διμεθυλακρυλαμίδιο) και το πολυ(Ν-Ισοπροπυλακρυλαμίδιο). Η συμπλοκοποίηση των συμπολυμερών με τα ιόντα Cu(II)σε υδατικό περιβάλλον διερευνήθηκε με θολομετρία, ιξωδομετρία, φασματοφωτομετρία UV-Vis, δυναμική σκέδαση φωτός, ιχνηθέτηση με φθορίζοντες ιχνηθέτες και προσδιορισμό του ζ-δυναμικού. Σε επόμενο στάδιο διερευνήθηκε η δυνατότητα σχηματισμού τριμερών συμπλόκων ΡAΝa/Cu(II)/επιφανειοδραστικής ένωσης σε υδατικό περιβάλλον. Από τη φυσικοχημική μελέτη των συστημάτων σε συνάρτηση του pΗ, ελήφθησαν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τον ανταγωνισμό των δύο ειδών (ιόντα Cu(II)ή ιόντα επιφανειοδραστικής ένωσης) να σχηματίσουν σύμπλοκα με το PANa. Ως τελικό στάδιο, παρασκευάστηκαν αδιάλυτα στο νερό υβριδικά υλικά πολυμερούς/Cu(II)ή πολυμερούς/Cu(II)/επιφανειοδραστικής ένωσης. Έπειτα από διερεύνηση της συμβατότητας/αναμιξιμότητάς τους με εμπορικές μήτρες που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανία χρωμάτων, ορισμένα από αυτά ενσωματώθηκαν σε πραγματικά χρώματα. / The binding/release of Cu(II) ions or/and surfactants from comb-type copolymers was studied. The backbone was poly(sodium acrylate), PANa, whereas the side chains were poly(N, N-Dimethylacrylamide) and Poly9N-Isopropylacrylamide). The complexation of these copolymers with Cu(II) ions in water, was studied by turbidimetry, viscometry, UV-Vis fasmatophotometry, dynamic light scattering, fluorescense probing and ζ-potential. As a next step, the possible formation of ternary PANa/Cu(II)/surfactant complexes in water was studied. From the physiocochemical studies with pH, important information was taken as far as the competition of the two species (Cu(II) ions and surfactant) to form complexes with PANa is concerned. As a next step, water-insoluble hybrid polymer/Cu(II) or polymer/Cu(II)/surfactant materials were produced. After studies upon the compatibility/mischibility of the hybrid materials with matrices that are usually used in paints, some of the materials were incorporated to paints.