Por duas décadas, as nanoestruturas conhecidas como nanotubos de carbono (CNT), tem chamado a atenção de muitos centros de pesquisa, devido a suas propriedades físicas e químicas, que tornam este material uma ferramenta de primeira ordem em diferentes aplicações. Este trabalho pretende pesquisar a fabricação e caracterização destas estruturas, utilizando as técnicas de deposição química a vapor (CVD), e deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD), visto que são as que reportam melhores resultados em termos de qualidade e quantidade, além de facilidade. A pesquisa está encaminhada pelo ajuste fino das variáveis que intervém nestes dois tipos de processo, tais como a temperatura, os gases precursores a usar, seus fluxos, e relação entre eles, o tipo de catalizador etc. assim como das variáveis que só fazem parte de cada processo diferenciado, no caso do CVD as altas temperaturas, e no caso do PECVD a pressão, a potência de RF aplicada para a formação do plasma etc. A forma de avaliar os resultados obtidos foi mediante as técnicas mais idôneas relativas aos nanotubos de carbono, as quais são a microscopia Raman, a microscopia eletrônica tanto de varredura como de transmissão, e a dispersão de raios X. Desta forma pretende-se fazer um trabalho exaustivo com a finalidade de conseguir uma síntese idônea das nanoestruturas de carbono para diferentes tipos de aplicações encaminhadas principalmente a dispositivos elétricos. / For the past two decades, the nanostructures known as carbon nanotubes (CNT), have been the center of attention of many research centers, due mainly to its physical and chemical properties, turning them into a first order tool in many kind of applications. This work pretends to study the fabrication and characterization of these nanostructures, using the chemical vapor deposition (CVD), and the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) techniques, since they are reported as the best ones in terms of quality, quantity and ease of use. The research is routed by the fine tuning of the variables involved in both processes, such as the temperature, the gas precursors, the gas flows, the flow ratio, the metal catalyst etc. as well as the variables involved in just one of the processes, in the case of CVD, the high temperatures, and in the case of PECVD, the pressure, the RF power for plasma formation etc. The way to evaluate the obtained results was through the most suitable techniques relative to CNT analysis , as Raman microscopy, electron microscopy, both scanning and transmission, and x-ray diffraction. Thus we pretend to perform an exhaustive research with the aim to find a synthesis of carbon nanostructures suitable for different kind of applications, routed principally to electronic devices.

Neste trabalho, foi realizado o crescimento de nanotubos de carbono pela técnica de deposição química a vapor (CVD) térmica catalítica, utilizando-se filmes finos de níquel como material catalisador, gás metano (CH4) como fonte de hidrocarboneto e nitrogênio (N2) como gás de arraste. Amostras processadas sobre filmes de Ni de 15 nm de espessura, depositados sobre substrato de óxido de silício (SiO2), com temperatura de processo de 900 ºC e tempo de 15 minutos promoveram uma maior densidade de síntese de nanotubos de carbono, utilizando-se um fluxo na proporção de 2 partes de N2 para 1 parte de CH4. Comprovou-se sua síntese através da visualização de sua morfologia por microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), além da extração de seu espectro característico por espectroscopia Raman e espectroscopia de dispersão de raio-X (EDS). Em um segundo estudo, depositaram-se sobre substratos de vidro filmes transparentes e condutores (TCF) à base de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) comerciais, pela técnica de dip coating. Para isso, realizou-se a dispersão dos nanotubos sob diversas concentrações em água deionizada (DI) com o auxílio do surfactante dodecil sulfato de sódio (SDS), com posterior funcionalização através do ataque químico por ácido nítrico (HNO3), visando sua aplicação na fabricação de células solares. Foram utilizados os equipamento de quatro pontas e curva corrente x tensão (IV) para caracterização elétrica, transmitância por espectrofotometria para caracterização óptica, SEM para a visualização de sua morfologia e espectroscopia Raman para a análise química de suas estruturas. Valores de resistência de folha de 2x105 W/ e transmitância de 65% foram obtidos nas amostras mais concentradas, com 0,2 mg de nanotubos por ml de água DI. Uma etapa de limpeza em água DI pós deposição foi feita para remoção do excesso de surfactante presente no filme, o que prejudica tanto as características elétricas e ópticas, por ser um dielétrico e não ser transparente. Essa limpeza melhorou o valor de transmitância, porém aumentou a resistência de folha, devido à remoção parcial dos nanotubos presentes no filme, interrompendo em certos pontos a malha que promovia a passagem de corrente elétrica. O ataque químico por HNO3 promoveu a criação de algumas quebras na estrutura do carbono, o que é verificado pelo aumento da banda D, característico da presença de defeitos. / In this work, the growth of CNTs was investigated, using chemical vapor deposition (CVD) thermal catalytic technique, carried out by utilizing thin films of nickel as catalyst material, methane (CH4) as hydrocarbon source and nitrogen (N2) as carrier gas. Samples processed onto 15 nm thick Ni films, deposited on silicon oxide (SiO2) substrates, at a temperature of 900 °C for 15 minutes, promoted a higher density of carbon nanotubes, using a gas mixture at the ratio of 2 parts of N2 and 1 part of CH4. This was verified by analysing the nanotubes morphology by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electronic microscopy (TEM) and by the extraction of its characteristic spectrum by Raman spectroscopy and energy dispersive spectroscopy (EDS). In a second study, transparent conductive films (TCF) based on commercial multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) were deposited on glass substrates by the dip coating technique. To do so, carbon nanotubes (CNTs) with different concentrations were dispersed in deionized water (DI) with the addition of the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS), and subsequent functionalization through chemical attack by nitric acid (HNO3), aiming their application in solar cell fabrication. The four point probe equipment and current x voltage curve (IV) was used for electrical characterization, transmittance for optical characterization, SEM to visualize their morphology and Raman spectroscopy for chemical analysis of their structures. Sheet resistance values of 2x105 W/ and transmittance of 65% were obtained in the most concentrated samples, with 0.2 mg per ml of nanotubes in deionized water (DI). A cleaning stage in DI water after deposition was taken for removal of surfactant excess in the film, which harms both the electrical and optical characteristics, as it is a dielectric and not transparent. This cleaning improved the transmittance value, but increased the sheet resistance due to partial removal of the nanotubes in the film, interrupting at certain points the mesh of CNTs that promoted the passage of electric current. The chemical attack by HNO3 promoted the functionalization by creating some breaks in the carbon structure, which is checked by the observation of the increasing in D band, which is characteristic of defects.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Diversos estudos têm sido realizados utilizando proteínas e oligonucleotídeos adsorvidos em nanotubos de carbono para inúmeras aplicações como, por exemplo, em nanomedicina, catálise, biosensores etc. No entanto, os tipos de interações que ocorrem entre essas biomoléculas e os nanotubos de carbono, as quais certamente influenciam ou mesmo determinam o desempenho desses híbridos, ainda não estão bem entendidos. Esse entendimento é muitas vezes dificultado pela complexidade tanto da estrutura das biomoléculas (a estrutura secundária das proteínas e os diversos resíduos de aminoácidos e bases nitrogenadas contendo diferentes grupos funcionais), quanto da superfície dos nanotubos de carbono quimicamente processados. O presente trabalho aborda o estudo da interação não covalente entre a proteína ovalbumina (OVA) e o oligonucleotídeo CpG (sequência de bases T*C*G*T*C*G*T*T*T*T*G*T*C*G*T, onde * representa uma ligação do tipo fosforotioato) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNT), visando ao entendimento da atuação desse sistemas híbridos como nanocarreadores em formulações vacinais. Inicialmente, amostras de MWNT e MWNT oxidados (Ox-MWNT) foram caracterizadas por termogravimetria, espectrometria de energia dispersiva, espectroscopias Raman e no infravermelho (IV), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e titulação potenciométrica. O processo de purificação/oxidação adotado resultou em amostras com pureza de 88% em massa de nanotubos, contendo tubos de até 2 μm (após dispersos), com paredes pouco defeituosas e a superfície funcionalizada com 0,78 mmol.g-1 de grupos ácidos carboxílicos e 0,92 mmol.g-1 de grupos fenólicos. Foram obtidos quatro sistemas híbridos dispersos em solução aquosa, MWNT-OVA, Ox-MWNT-OVA, MWNT-CpG e Ox-MWNT-CpG, os quais foram caracterizados por espectroscopia Raman, no IV e no ultravioleta-visível, potencial Zeta (ξ), MET e dicroísmo circular. De maneira geral, os híbridos obtidos apresentaram alta estabilidade em meio aquoso e seletividade no sítio ligante. Enquanto o CpG interage com ambos MWNT e Ox-MWNT via empilhamento-π, a interação entre a OVA e os nanotubos parece ocorrer principalmente via empilhamento-π com o MWNT e ser dominada por um caráter eletrostático com o O-MWNT. A interação com os nanotubos de carbono altera a liberdade conformacional das biomoléculas estudadas, principalmente a OVA, tendo como consequência o enfraquecimento das ligações de hidrogênio na biomolécula e uma maior definição das bandas vibracionais associadas a cada uma das estruturas secundárias da proteína. / Several studies have been conducted using protein and oligonucleotides adsorbed onto carbon nanotubes for many applications such as nanomedicine, catalysis, biosensors etc. However, the types of interactions that occur between these biomolecules and carbon nanotubes, which certainly influence or even determine the performance of these hybrids, are not yet well understood. This understanding is often hindered by the complexity of both the structure of biomolecules (the secondary structure of proteins and several residues of amino acids and nitrogen bases containing different functional groups), and the chemically processed surface of the carbon nanotubes. Herein, we describe the non-covalent interaction between the protein ovalbumin (OVA) and oligonucleotide CpG (with specific bases sequence T * C * G * T * C * G * T * T * T * T * G * T * C * G * T, where * is a phosphorothioate bond) and multi-walled carbon nanotubes (MWNT), aimed at understanding the hybrid systems performance as nanocarriers for vaccine formulations. Firstly, MWNT and oxidized MWNT (Ox-MWNT) samples were characterized by thermogravimetry, energy dispersive spectrometry, Raman and infrared (IV) spectroscopies, transmission electron microscopy (MET) and potentiometric titration. The purification/oxidation process resulted in 88% purity samples by mass of nanotubes containing tubes up to 2 micrometers (after dispersed) with slightly defective walls and functionalized surface with 0.78 mmol.g-1 of carboxylic acidic groups and 0.92 mmol.g-1 of phenolic groups. We obtained four hybrids dispersed in aqueous solution, MWNT-OVA, Ox-MWNT-OVA, MWNT-CpG and Ox-MWNT-CpG, which were characterized by Raman, IV, circular dichroism and ultraviolet-visible spectroscopies, Zeta potential (ξ) and MET. All the hybrids obtained showed high stability in aqueous media and selectivity binding site. While CpG interacts with both MWNT and Ox-MWNT via π-stacking, the interaction between the nanotubes and the OVA seems to occur mainly via π-stacking with MWNT and be dominated by an electrostatic character with Ox-MWNT. The interaction with the carbon nanotubes alters the conformational freedom of biomolecules here studied, mainly the OVA, weakening of the intramolecular hydrogen bonds of biomolecule and a higher definition of the vibrational bands associated each one of the protein secondary structure.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, foi realizado um estudo sistematizado da funcionalização de NTs de múltiplas paredes (MWNT) com polietilenoglicóis (PEGs) de 2 e 5 kDa, objetivando à obtenção de amostras adequadas para futuras aplicações biológicas. Para a introdução das cadeias poliméricas, foi explorada a rota de acoplamento via carbodiimida, utilizando-se MWNTs carboxilados e PEGs contendo grupos aminas terminais. Para a ativação das carbonilas, empregaram-se os agentes de acoplamento N-etil-N-(dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC) e N-hidroxisuccinimida (NHS), produzindo os intermediários EDC/NHS. Antes de estudar a funcionalização dos NT com os dois tipos de PEG-NH2, o acoplamento via carbodiimida foi testado usando a octadecilamina (ODA) como amina modelo, visando estabelecer as melhores condições reacionais. Partindo de uma amostra comercial de MWNTs já carboxilados (Nanocyl NC 3101), foi realizada uma etapa inicial de oxidação e de purificação do material empregando refluxos em soluções de peróxido de hidrogênio (H2O2) e hidróxido de sódio (NaOH) com o objetivo de garantir o acoplamento da molécula desejada aos NT e não nos resíduos a eles adsorvidos. Os materiais de partida, pré-tratados e funcionalizados, foram amplamente caracterizados por TG/DTG, análise titulométrica, potencial zeta, EDS, espectroscopia Raman, FTIR e microscopia eletrônica de transmissão. Essas caracterizações mostraram que embora a rota de oxidação/purificação empregada tenha sido efetiva para oxidar os defeitos e para remover os fragmentos poliaromáticos e carbono amorfo, ela provocou grandes danos à estrutura dos NT. Estes defeitos foram considerados como os principais fatores para o impedimento de uma reação de amidação bem sucedida. No estudo de funcionalização empregando a ODA, foi demonstrado que o tempo de formação do intermediário é um fator importante, tendo sido observado um aumento no número de grupos carboxílicos ativados com EDC/NHS com o aumento do tempo. A presença de mais sítios convertidos em ésteres reativos, entretanto, não implicou em um aumento na quantidade de ODA fixada, fato atribuído ao impedimento estérico causado pelos grupos ésteres de NHS, que dificultam a aproximação das moléculas da ODA. No estudo de funcionalização com o PEG foi evidenciado que o tamanho da cadeia de PEG altera a forma de fixação do polímero aos NT. Acredita-se que a adsorção aconteça por quimissorção (entre as carboxilas dos NT e grupos amina do PEG), quanto por fisissorção (interação da cadeia éter e dos grupos aminas terminais com a superfície dos NT). Para o PEG de menor tamanho de cadeia (2 kDa), o aumento do tempo de reação de 2 h para 18 h provoca alterações significativas, tais como o aumento da organização das macromoléculas dentro da estrutura dos NT, a maximização das interações entre NT e PEG e grande aumento na quantidade de fixação de PEG livre. Estas alterações não ocorrem para o PEG com cadeia mais extensa (5 kDa), a qual provavelmente requer um tempo bem maior para se organizar dentro da estrutura dos NT. Para ambos os casos, entretanto, foi constatado que o aumento no tempo de reação não leva a um aumento de PEG fixado por interações químicas, sendo a adsorção dominada pelas interações de van der Waals entre a superfície dos NT e as cadeias de PEG. Em todas as reações de funcionalização realizadas neste estudo, ocorreu um processo paralelo de purificação das nanopartículas metálicas, resultando em amostras com purezas superiores a 98% em termos de teor metálico. Os resultados deste estudo revelam que a PEGuilação de nanotubos de carbono pode ser realizada pela rota da carbodiimida, entretanto, o sucesso da funcionalização depende sobretudo da etapa de introdução dos sítios carboxilas na superfície dos NT. A carboxilação usando agentes oxidantes provoca a introdução desorganizada dos sítios reacionais, além de defeitos estruturais, que dificultam a funcionalização covalente. / This work reports on a systematic investigation of functionalization of multi-walled nanotubes (MWNT) with 2 and 5 kDa polyethylene glycols (PEGs) in an attempt to obtain samples suitable for future biological applications. The polymer chains were introduced by coupling via carbodiimide using carboxylated MWNT and PEG containing terminal amine groups. The carbonyl groups were activated using coupling agents N-ethyl-N-(dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS), which produced intermediates EDC/NHS. Before investigating the functionalization of MWNTs with the two types of PEGNH2, the carbodiimide coupling was tested using octadecylamine (ODA) as a model amine seeking to establish the best reaction conditions. A pre-carboxylated commercial sample of MWNTs (Nanocyl NC3101) was oxidized and purified under reflux of hydrogen peroxide (H2O2) and sodium hydroxide (NaOH) solutions to ensure the coupling of the desired molecule to the MWNTs rather than to the residues adsorbed on them. The pre-treated and functionalized start materials were fully characterized by TG/DTG, acid-base titration, zeta potential, EDS, Raman spectroscopy, FTIR and transmission electron microscopy. The results demonstrated that despite the successful oxidation of the defects and removal of polyaromatic and amorphous carbon fragments, through the oxidation/purification route, the MWNT structure was greatly affected. The defects were the main hindrance to the successful amidation reaction. In the ODA functionalization, the time required for the formation of intermediates is a major factor. The number of carboxylic groups activated by EDC/NHS increased with the reaction activation time. However, the presence of sites converted into reactive esters did not lead to an increase in the amount of chemically bonded ODA due to steric hindrance by NHS ester groups. In the PEG functionalization study, it was evident that the length of the PEG chain affects its binding to MWNTs. Adsorption is thought to occur both by chemisorption between the MWNT carboxyl and the PEG amine groups and physisorption through the interaction of the ether chain and the terminal amines with the MWNT surface. In the case of the short-chain PEG (2 kDa), increasing the reaction time from 2 to 18 h produced significant changes, such as a greater macromolecule organization within the MWNT structure, maximization of the MWNT-PEG interactions and a great increase in the quantity of adsorbed free PEG, which were not observed for the long-chain PEG (5 kDa) since it probably requires a much longer time to get organized within the MWNT structure. However, the increase in the reaction time did not lead to an increase in the amount of chemically adsorbed PEG, van der Waals interactions between the MWNT surface and the PEG chains prevailing in both cases. The removal of metallic nanoparticles took place simultaneously with MWNT functionalization reactions in all the studied functionalization reactions, yielding samples with metal content purity higher than 98%. This study showed that the PEG functionalization of MWCT can be achieved through the carbodiimide route, however, the result depends mainly on the way the carboxyl sites are introduced onto the MWNT surface. Carboxylation with strong oxidizing agents leads to uncontrolled introduction of reactive sites, in addition to structural defects, which makes the covalent functionalization difficult.

A disposição de resíduos sólidos é um dos temas mais discutidos na atualidade. A queima controlada dos resíduos possibilita a redução do volume a ser depositado e a geração de energia. Este trabalho estudou o emprego de uma nova tecnologia no atual processo de queima de uma série de resíduos carbonosos. Um sistema de catálise foi utilizado para sintetizar nanotubos de carbono (CNTs) a partir dos gases gerados pela pirólise/combustão dos resíduos. Os CNTs são materiais com alto valor de mercado devido às suas excepcionais propriedades. Foram alvos de estudo os resíduos da indústria do etanol (bagaço da cana-de-açúcar e grãos secos de destilaria com solúveis - DDGS), borracha de pneus inservíveis e garrafas de poli(tereftalato de etileno) pós-consumo. Amostras dos resíduos foram incineradas em um forno de fluxo contínuo com atmosfera controlada através da injeção de N2 e temperaturas de 600-1000°C, sendo que jatos de O2 foram adicionados em alguns experimentos. O efluente gasoso da queima foi submetido a um filtro de SiC e repassado a um segundo forno com temperatura constante de 1000°C. Telas de aço inoxidável foram dispostas no forno secundário para atuarem como catalisador. A cromatografia gasosa foi utilizada para a comparação dos efluentes com e sem o uso do catalisador, sendo constatado que o emprego das telas ocasionou uma significativa redução na emissão de poluentes. Após os experimentos, foi verificada a formação de partículas de carbono sólido na superfície do catalisador. As partículas formadas foram submetidas a análises por MEV, MET, TG e Raman. Os resultados apontaram a formação de nanotubos de carbono de parede múltiplas com comprimentos de 20 a 50 µm e diâmetros entre 20 e 50 nm quando empregados pneus e bagaço da cana como matérias-primas. Experimentos que empregaram DDGS e garrafas PET produziram microfibras de carbono com comprimentos em torno de 40 µm e diâmetros entre 80 e 200 nm. / The disposal of solid wastes is one of the most discussed topics nowadays. Controlled burning allows the reduction of waste volumes to be deposited, and the energy generation. This study examined the use of a new technology in the current burn processes of several carbonaceous wastes. A catalyst system was used to synthesize carbon nanotubes (CNTs) from the gases generated by pyrolysis/combustion of wastes. CNTs are materials with high market value due to its exceptional properties. Residues of the ethanol industry (sugarcane bagasse and distillers dried grains with solubles - DDGS), scrap tire rubbers and post-consumer polyethylene terephthalate bottles were subject of study. Waste samples were incinerated in a laminar-flow furnace with controlled atmosphere by injection of N2, and temperatures of 600-1000°C, while jets of O2 were added in some experiments. The effluent gases were subjected to a SiC filter and channeled into the second furnace with constant temperature of 1000°C. Stainless steel meshes were placed in the second furnace in order to work as catalyst. Gas chromatography was used to compare the effluent with and without the catalyst use, wherein was showed that the use of meshes caused a significant reduction in the emissions. After the experiments, the formation of solid carbon particles was verified on the catalyst surface. The formed particles were analyzed by SEM, TEM, TG and Raman. Results showed the formation of multi-wall carbon nanotubes with lengths of 20-50 µm and diameters in the range of 20-50 nm when tires and sugarcane bagasse were used as raw materials. Experiments using DDGS and PET bottles produced carbon microfibers with lengths of about 40 µm and diameters of 80-200 nm.

Foram desenvolvidos eletrodos compósitos à base de nanotubos de carbono aglutinados por borracha de silicone e resina poliuretana de origem vegetal, visando aliar as interessantes propriedades dessa forma de carbono como material de eletrodo às vantagens da utilização de eletrodos sólidos. Para isso, os nanotubos adquiridos foram submetidos a um tratamento térmico/químico para eliminar eventuais resíduos metálicos de catalisador e carbono amorfo, bem como ativar sua superfície pela adição de grupos funcionais, abertura das extremidades e criação de defeitos em suas paredes. Os nanotubos foram caracterizados, antes e após o tratamento, utilizando técnicas como espectroscopia no infravermelho, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura, termogravimetria e difração de raios X. Os resultados permitiram concluir que os materiais já vêm pré tratados pelo fabricante e o tratamento adicional leva a uma melhora em suas propriedades eletroquímicas. Posteriormente, os eletrodos compósitos foram preparados com nanotubos de carbono, tratados e na forma como foram recebidos, utilizando borracha de silicone ou poliuretana como aglutinantes. O efeito do tratamento na resposta voltamétrica dos eletrodos compósitos foi avaliado utilizando-se voltametria cíclica. Um estudo da composição do material condutor, composto de misturas de nanotubos de carbono tratados e grafite, indicou que a melhora na resposta do eletrodo é proporcional à quantidade de nanotubos presentes no compósito, verificada pelo aumento na corrente de pico e pela diminuição da separação dos potenciais de pico. Esta melhora foi mais significativa no eletrodo compósito à base de nanotubos de carbono e borracha de silicone, o qual foi aplicado na determinação de propranolol e hidroclorotiazida, dois fármacos utilizados no tratamento de hipertensão. Os procedimentos de determinação foram desenvolvidos e as técnicas de voltametria de pulso diferencial e voltametria de onda quadrada foram utilizadas na quantificação dos fármacos em formulações farmacêuticas, com limites de detecção da ordem de 10-8 mol L-1 para propranolol e 10-6 para hidroclorotiazida. Os resultados foram concordantes com os métodos oficiais descritos nas farmacopéias com 95 % de confiança, de acordo com teste t-Student. Melhor resposta voltamétrica foi propiciada pela presença dos nanotubos, pois não houve a necessidade de pré-concentração para obter resposta quantitativa semelhante às previamente descritas na literatura. / Composite electrodes were developed based on carbon nanotubes bonded by silicone rubber and polyurethane vegetable resin, aiming to combine the interesting properties of this form of carbon as electrode material to the advantage by using solid electrodes. For this, the nanotubes obtained were subjected to a heat/chemical treatment to remove any residual metal catalyst and amorphous carbon, and activate their surface by the addition of functional groups, opening the ends and defects\' creation in their walls. The nanotubes were characterized before and after treatment, using techniques, such as infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, thermogravimetry and X-ray diffraction. The results showed that the material is pre treated by the manufacturer and additional treatment leads to an improvement in their electrochemical properties. Thereafter, the composite electrodes were prepared with treated and as received carbon nanotubes, using silicone rubber or polyurethane as binders. The treatment effect on the voltammetric response of the composite electrodes was evaluated using cyclic voltammetry. A study of the conductive material composition, composed by treated carbon nanotubes and graphite mixtures, indicated that the improvement in sensor response is proportional to the amount of nanotubes present in the composite, as verified by the increase in peak current and the decrease of the separation in the peak potentials. This improvement was more significant in the composite electrode based on carbon nanotubes and silicone rubber which was applied in the determination of propranolol and hydrochlorothiazide, both drugs used for hypertension treatment. The determination procedures were developed and the techniques of differential pulse voltammetry and square wave voltammetry were used for drugs\' quantification in pharmaceutical formulations, with detection limits of 10-8 mol L-1 for propranolol and 10-6 mol L-1 for hydrochlorothiazide. The results were consistent with the described methods in the official pharmacopoeias with 95% confidence, according to Student\'s t-Test. The best voltammetric response was obtained by the presence of the nanotubes, since there was no need for pre-concentration to get similar quantitative response to those previously described in literature.

Esta tese de doutoramento relata estudos sobre a interação de nanotubos de carbono com nanomateriais, biomoléculas e células, com o propósito de obter informações relevantes para o desenvolvimento de biossensores e para o campo da nanotoxicologia. No primeiro estudo, foram produzidos e caracterizados três tipos de eletrodos modificados com filmes multicamadas obtidos através da técnica de automontagem. Estes filmes continham nanotubos de carbono de parede simples (SWNT), ftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) e o dendrímero poli(amidoamina) de geração 2 (PAMAM G2), e estes polieletrólitos foram organizados nos seguintes sistemas: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) e (nanocompósito SWNT/PAMAM G2 / NiTsPc). Medidas de voltametria cíclica com a sonda ferrocianeto de potássio revelaram que os três sistemas podem ser aplicados como eletrodos descartáveis por serem instáveis e que os dois sistemas com NiTsPc apresentam um amplo intervalo de potencial para detecção de analitos sem a interferência dos picos redox da Pc. Também foram conduzidos ensaios de citometria de fluxo para avaliação da toxicidade de nanocompósitos contendo nanotubos de carbono e poli(amidoamina) de gerações 2, 4 e 6 em células F C3H, correspondentes a fibroblastos saudáveis de fígado humano. Os resultados mostraram que o contato com os nanomateriais provoca uma queda significativa na viabilidade deste tipo de célula, e apontam para a necessidade de aprofundar a investigação sobre os efeitos biológicos deste nanocompósito para que ele seja aplicado com segurança como um vetor de drogas e material genético. A última parte da tese é dedicada a explorar ferramentas computacionais para elucidar os mecanismos de formação do nanocompósito SWNT/PAMAM G2 e sua interação com modelos de membrana celular. Simulações por dinâmica molecular revelaram que a estabilidade do nanocompósito é mantida por interações entre as paredes apolares dos nanotubos e as cadeias internas não polares do dendrímero. O estudo envolvendo bicamadas lipídicas sugeriu que a presença de espécies aniônicas, como as fosfatidilserinas, é crucial para iniciar a ligação desta nanopartícula à membrana celular. O contato do nanocompósito com a bicamada resultou na extração destrutiva de lipídeos da membrana, um efeito deletério que pode causar danos às células. / This thesis describes the interaction between carbon nanotubes and nanomaterials, biomolecules and cells, to obtain relevant information for the development of biosensors and the progress of the nanotoxicology field. In a first study, we produced and characterized three types of modified electrodes made from layer-by-layer films. These nanostructures had single-walled carbon nanotubes (SWNT), nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) and poly(amidoamine) dendrimer, generation 2 (PAMAM G2). These polyelectrolytes were organized in the following multilayers: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) and (SWNT/PAMAM G2 nanocomposite / NiTsPc). Cyclic voltammetry measurements with a potassium ferrocyanide probe revealed that the three systems can be used as disposable electrodes for being unstable and that the two systems with NiTsPc exhibit a wide useful potential interval for detection without the interference of the Pc redox peaks. We also performed flow cytometry experiments to evaluate the toxicity of nanocomposites containing carbon nanotubes and poly(amidoamine) generations 2, 4 and 6 in F C3H cells, derived from healthy human liver fibroblasts. The results showed that the contact with these nanomaterials decreases the viability of this type of cell and point to the need to further determine the biological effects of this nanocomposite before it can be safely applied as a vector for drugs and genetic material. The last part of the thesis explores computational tools to unravel the mechanisms behind the formation of the nanocomposite SWNT/PAMAM G2 and its interaction with cell membrane models. Molecular dynamics simulations revealed that the stability of the nanocomposite is kept mainly by interactions between the apolar nanotube walls and the inner non polar chains of the dendrimer. The study involving lipid bilayers suggested that the presence of anionic species, such as phosphatidylserines, is crucial to trigger the binding of this nanoparticle to the cell membrane. The contact of the nanocomposite with the bilayer resulted in the destructive extraction of lipids from the membrane, an effect that ultimately causes cell damage.

O presente trabalho teve por objetivo avaliar alterações devido à exposição a Nanotubos de Carbono de Parede Simples (NTCPS) em duas linhagens celulares epiteliais (BBnt e HK2) e em uma linhagem celular monocítica (THP-1), enfocando os mecanismos de internalização e os efeitos sobre o ciclo celular. Foi avaliada a ação dos receptores scavenger na internalização dos NTCPS nas células HK2 e THP-1 e a interferência de duas concentrações de NTCPS sobre os elementos do citoesqueleto e no ciclo celular, nas células HK2 e BBnt. As concentrações utilizadas foram equivalentes as permitidas pelo The National Institute for Occupational Safety and Health: 2,4 e 24 mg/cm2. A análise de expressão de mRNA por RT-PCR para receptores scavenger, mostrou que a internalização do NTCPS pode ocorre por endocitose. Sendo que os receptores SCARA5 e SRA são os responsáveis pela internalização nas células THP-1, enquanto MARCO e SRA realizam o processo de internalização nas células HK2. Observou-se que em ambas as concentrações, as células BBnt apresentaram amplificação centrossômica, com a ocorrência de 25,38% e 28,46% de mitoses alteradas para cada concentração, respectivamente. Não houve interferência significativa na progressão do ciclo celular em ambas as linhagens. O estudo da interação dos NTCPS com vesículas lipídicas não apresentou evidencias de alterações ou danos na membrana das vesículas, porém as vesículas apresentaram-se associadas umas às outras após o tratamento com 24 mg/cm2. / This study aimed to assess changes due to exposure to of Single-wall Carbon Nanotubes (SWCNT) in two epithelial cell lines (BBnt and HK2) and a monocytic cell line (THP-1), focusing on the mechanisms of internalization and effects on the cell cycle. The action of scavenger receptors in the internalization of SWNTC in HK2 and THP-1 cells and the interference of two concentrations of SWNTC about elements of the cytoskeleton and the cell cycle, in BBnt and HK2 cells was evaluated. The concentrations used were equivalent to those allowed by The National Institute for Occupational Safety and Health: 2,4 to 24 mg/cm2. Analysis of mRNA expression by RT-PCR for scavenger receptors showed that the SWNTC internalization can occurs by endocytosis. Being that SCARA5 and SRA receptors are responsible for internalization in THP-1 cells, while MARCO and SRA perform the process of internalization in HK2 cells. It was observed that at both concentrations, the cells showed centrosome amplification in BBnt cells, with the occurrence of 25.38% and 28.46% of mitosis changed for each concentration, respectively. There was no significant interference with cell cycle progression in both strains. The study of the interaction of lipid vesicles with SWNTC showed no evidence of change or damage the membrane of the vesicles, but the vesicles were associated with each other after treatment with 24 mg/cm2.

In the past two decades carbon nanotubes and graphene have attracted a lot of research attention due to their exceptional electronic properties. The research focus on improving the synthesising techniques will eventually lead to their applications in terahertz wave, millimetre wave and microwave frequencies. In this thesis, a modelling technique based on the transmission line theory is proposed to calculate the 2-port S-parameters of vertically aligned CNT arrays with finite sizes and arbitrary cross sections. The process takes into account all the coupling in the array and gives the analytical solution of S-parameters. The simulation results from the proposed technique are compared with results obtained by effective single conductor model and shows a good matching for small arrays and an increasing difference with the increase of array sizes. From the S-parameters, the fundamental properties of CNT arrays such as input impedance and absorption are obtained and compared with measurement results in microwave frequencies. The dependence of these properties on ambient temperature and host medium are also presented to explore the tunability of CNT arrays. From the Fabry-Perot the wave propagating velocity is also calculated for arrays with different sizes and fitted with a power function. The S-parameters allows the extraction of the complex permittivity, permeability and conductivity of the CNT array. The extracted permittivity and absorption are compared with measurement results. The graphene nanoribbons are simulated in the same manner. The graphene sheet on top of a microstrip gap is simulated using transmission line model at microwave frequencies to show the impact of parasitics and contact resistances. Finally, a graphene based microwave absorber is proposed and modelled under both electric and magnetic bias. The absorber shows good broadband absorption rate and a potential for turning transparent and opaque to microwaves under both electric and magnetic bias.

A formação de nanocompósitos de nanotubos de carbono e certos materiais tais como óxidos e polímeros abre a possibilidade de melhorar as propriedades mecânicas e eletrônicas dos seus constituintes, tornando-os candidatos para as mais diferentes aplicações. O preparo desses nanocompósitos com propriedades desejadas requer o conhecimento do tipo de interação entre os dois materiais. Atualmente, a espectroscopia Raman é considerada uma das principais técnicas utilizadas na caracterização de compósitos contendo os nanotubos. Este trabalho tem como objetivo o estudo espectroscópico, em conjunto com outras técnicas de caracterização, na investigação de evidências de interação de compósitos envolvendo nanotubos de carbono de parede única e nanotubos de carbono de paredes múltiplas formados com o semicondutor nanoestruturado, dióxido de titânio, como também com o polímero polipirrol. Todos os compósitos foram preparados a partir dos nanotubos oxidados em ácido nítrico. Essa etapa é bastante importante, pois além de influenciar sua solubilidade, possibilita gerar grupos funcionais oxigenados nas superfícies dos tubos capazes de formar ligações com outros materiais. Através dos espectros Raman foi possível obter evidência de interação entre os constituintes do compósito, através inversão da razão das intensidades relativas das bandas D e G. No caso dos nanotubos de carbono de parede única, sugerimos a formação do nanomaterial ligado nos nanotubos externos dos feixes e as bandas Raman D e G observadas nos espectros dos compósitos são originadas dos tubos internos dos feixes de nanotubos em ressonância com a energia do laser. Considerando os nanotubos de carbono de paredes múltiplas, a presença do material de tamanho nanométrico faz com que as paredes mais externas desses nanotubos percam sua identidade como nanotubo de carbono. Assim, as características das bandas Raman D e G observadas no espectro são originadas dos tubos mais internos que são semelhantes ao nanotubo pristina. Pelo estudo Raman ressonante dos compósitos de nanotubos de carbono de parede única e polipirrol foi verificada a transferência de carga do polímero em direção ao nanotubo através das modificações tanto nas características espectrais do nanotubo quanto do polímero. Foram observados também, processos de transferência eletrônica do dióxido de titânio para os nanotubos de carbono de parede única através dos deslocamentos das frequências Raman. Foi realizado ainda um estudo comparativo dos processos de degradação do corante verde de Janus B em suspensão de dióxido de titânio e em uma mistura de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de paredes múltiplas em diferentes valores de pH iniciais do corante. Foi observado o aumento significativo na eficiência da degradação do corante na presença do nanotubo no sistema fotocatalítico. Além disso, a investigação dos intermediários formados nos sistemas de catalisadores foi realizada através dos espectros SERS das soluções degradadas e FT-Raman dos catalisadores sólidos / The formation of nanocomposites of carbon nanotubes and certain materials such as oxides and polymers opens the possibility of improving the mechanical and electronic properties of its constituents, making them candidates for a wide range of applications. The preparation of these nanocomposites with desired properties requires the knowledge of the type of interaction between the two materials. Currently, Raman spectroscopy is considered one of the main techniques in the characterization of composites containing nanotubes. This work aims the spectroscopic study combined with other characterization techniques in investigating evidences of interaction in composites involving single-wall nanotubes and multi-wall nanotubes with the nanostructured semiconductor, titanium dioxide, as well as with the polymer polypyrrole. All composites were prepared from the oxidized nanotubes in nitric acid. This step is very important since it influences nanotubes solubility, and enables the generation of oxygenated functional groups on the surfaces of tubes, allowing further functionalization with other materials. Through the Raman spectra, it was possible to obtain evidences of interaction between the constituents of the investigated composites through the inversion in the ratio of the relative intensities of D and G bands. In the case of single-wall nanotubes, it is suggested that the formation of the nanomaterial occurs on the external nanotube bundles, and D and G Raman bands observed in the spectrum are derived from the inner tubes in the bundles in resonance with the laser energy. Considering the multi-wall nanotubes, the presence of nanosized material causes the outer walls of these nanotubes to lose their identity as carbon nanotubes. Thus, the characteristics of the Raman D and G bands observed in the spectrum are derived from innermost tubes, which are similar to pristine nanotube. The resonance Raman study of single-wall nanotubes and polypyrrole composite revealed charge transfer of the polymer into the nanotube through modifications in the spectral characteristics of the nanotube and the polymer as well. Were also observed, electron-transfer process of titanium dioxide to the single-wall nanotubes through the downshift of the characteristic nanotube Raman frequencies. A comparative study of the degradation processes Janus green B dye in titanium dioxide suspension and mixture of multi-wall nanotubes and titanium dioxide was carried out at different pH values. We observed a significant increase in the degradation efficiency of the dye in the presence of nanotubes on the photocatalytic system. Furthermore, the investigation of the intermediates formed in the catalyst systems were performed using SERS spectra of the degraded solutions and FT-Raman of solid catalysts.