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Evidence is reported for the formation of carbon-containing contamination products at the copper-tungsten (Cu-W) interface during the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) of copper on tungsten. Cu(II)bishexafluoroacetylacetonate [Cu(hfac)_2] was physisorbed onto lightly oxidized tungsten (WO_x) at 115K, under ultra-high vacuum conditions, and then annealed sequentially to higher temperatures. Copper reduction was observed by 320K. Carbonaceous and carbidic contamination of the WO_x surface was observed, even after sample warming to 625K in UHV. The results indicate that low temperature MOCVD of Cu may be possible, but interfacial contamination from the organic ligand fragmentation is a major concern.

Conductive polymers, since from their discovery, have become a prominent area of research and found many useful applications in all fields of our daily life. Examples are light emitting diodes, heat generation, chemical sensors and electro-active membranes. Polymer coated textile substrates give flexible and lightweight materials. One well utilized and thoroughly explored conductive polymer is poly(3,4-ethylenedioxythiophene) also known as PEDOT. Although there are different ways to produce PEDOT one of the most common is the VPP technique. The typical procedure when using VPP is to introduce the monomer vapor to an oxidant coated substrate so that it polymerizes on the surface of the substrate. Throughout this study, the VPP technique has been used to produce PEDOT on different textile fibers. Aim was first of all optimizing the process gaining low electric resistance, i. e. high conductivity, of produced coated fibers but also multilayer coatings of fibers. Outcome indicates some parameters not having a clear influence over the results while others had a more distinct impact. A noteworthy result was obtained by coating a substrate, namely lyocell fiber, multiple times with layers deposited directly on each other. This decreased the resistance from 5.1 (± 1.6) kΩ/10 cm to 1.0 (± 0.1) kΩ/10 cm, for one layer and multiple layers respectively. Adding 15 wt. % of the copolymer PEG-PPG-PEG to the oxidant solution decreased the resistance from 6.8 (± 1.2) kΩ/10 cm to 3.9 (± 0.8) kΩ/10 cm. Final conclusion is that among the ways, to improve conductivity for PEDOT coated fibers, applied in this study are best results obtained by multi-layer coating.

Doctor of Philosophy / Department of Chemical Engineering / James H. Edgar / The semiconductor boron phosphide (BP) has many outstanding features making it attractive for developing various electronic devices, including neutron detectors. In order to improve the efficiency of these devices, BP must have high crystal quality along with the best possible electrical properties. This research is focused on growing high quality crystalline BP films on a variety of superior substrates like AIN, 4H-SiC, 3C-SiC and ZrB₂ by chemical vapor deposition. In particular, the influence of various parameters such as temperature, reactant flow rates, and substrate type and its crystalline orientation on the properties of BP films were studied in detail. Twin-free BP films were produced by depositing on off-axis 4H-SiC(0001) substrate tilted 4° toward [1-100] and crystal symmetry matched zincblende 3C-SiC. BP crystalline quality improved at higher deposition temperature (1200°C) when deposited on AlN, 4H-SiC, whereas increased strain in 3C-SiC and increased boron segregation in ZrB₂ at higher temperatures limited the best deposition temperature to below 1200°C. In addition, higher flow ratios of PH₃ to B₂H₆ resulted in smoother films and improved quality of BP on all substrates. The FWHM of the Raman peak (6.1 cm⁻¹), XRD BP(111) peak FWHM (0.18°) and peak ratios of BP(111)/(200) = 5157 and BP(111)/(220) = 7226 measured on AlN/sapphire were the best values reported in the literature for BP epitaxial films. The undoped films on AlN/sapphire were n-type with a highest electron mobility of 37.8 cm²/V·s and a lowest carrier concentration of 3.15x1018 cm⁻ᶟ. Raman imaging had lower values of FWHM (4.8 cm⁻¹) and a standard deviation (0.56 cm⁻¹) for BP films on AlN/sapphire compared to 4H-SiC, 3C-SiC substrates. X-ray diffraction and Raman spectroscopy revealed residual tensile strain in BP on 4H-SiC, 3C-SiC, ZrB₂/4H-SiC, bulk AlN substrates while compressive strain was evident on AlN/sapphire and bulk ZrB₂ substrates. Among the substrates studied, AlN/sapphire proved to be the best choice for BP epitaxy, even though it did not eliminate rotational twinning in BP. The substrates investigated in this work were found to be viable for BP epitaxy and show promising potential for further enhancement of BP properties.

Neste trabalho são apresentados resultados relativos ao desenvolvimento de uma metodologia de calibração independente de um sistema LIDAR Raman para medidas de razão de mistura do vapor dágua, avaliando-se a eficiência total de transmissão óptica do sistema LIDAR Raman. Uma calibração independente ou absoluta de um sistema LIDAR foi possível por meio de medidas e cálculos dos parâmetros relevantes. A metodologia de calibração independente apresentada é baseada na decomposição das equações da razão de mistura do vapor dágua, especialmente na avaliação do fator de calibração e as incertezas relativas à transmissão óptica e secções diferenciais de espalhamento. A eficiência de transmissão incluiu fatores como a refletividade do telescópio, transmissão dos componentes ópticos e filtros. A avaliação da eficiência do sistema foi realizada com do uso de uma lâmpada calibrada de tungstênio em duas configurações distintas de filtros de interferência, (banda larga e banda estreita) instalados no sistema LIDAR Raman da Howard University (HURL). A avaliação da secção diferencial de espalhamento Raman para o vapor dágua foi realizada pelo uso de um modelo téorico descrito na literatura e por uma primeira aproximação experimental. Os resultados mostraram consistência e que essa metodologia de calibração pode ser usada em uma base rotineira para medidas de vapor dágua atmosférico. / For this study we present the results of the development of an absolute Raman LIDAR calibration methodology for measuring a water vapor mixing ratio. An absolute calibration of the system is possible by measuring or calculating the relevant system parameters based on the decomposition of the calibration instrumental function. The efficiency of the LIDAR system transmission at the laser and Raman produced wavelengths including factors such as reflectivity of the telescope and the transmission of conditioning optics and filters. We have evaluated the efficiency of the system with a calibrated tungsten lamp using two different sets of interference filters (wideband and narrow-band) that were installed at the Howard University Raman LIDAR system. The methodology is based on the decomposition of the water vapor mixing ratio equations, especially on the evaluation of the calibration factor and the instrumental errors involved. Also, the evaluation of the Raman cross section ratio was performed by using a theoretical model and then with an experimental approach. The results show consistency that this calibration methodology can be used on a regular basis.

O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de métodos para determinações simultâneas de As e Hg por geração de hidreto e vapor frio e determinações simultâneas de Cd, Cr e Pb por nebulização direta da solução de digeridos dos fertilizantes minerais por espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por micro-ondas (MIP OES). Durante o desenvolvimento dos métodos foram empregadas amostras de fertilizantes minerais de programas interlaboratoriais e também Material de Referência Certificado de fertilizante inorgânico (SRM® 695 do NIST). Foram realizadas otimizações nas condições de operação do MIP OES para se obter as melhores condições para determinações dos analitos de interesse. O método por geração química de vapor de As e Hg foi desenvolvido sem a etapa de pré-redução do arsênio, sendo possível a determinação simultânea do As e Hg. A não necessidade da etapa de pré-redução foi constatada em estudos com soluçõespadrão de 20 mg L-1 As(III), 20 mg L-1 As(V) e mistura das duas espécies nas mesmas concentrações 10 mg L-1 As(III) + 10 mg L-1 As(V), na ausência e presença de diferentes concentrações de iodeto de potássio (0 a 1% m v-1). Os resultados obtidos demonstraram que não houve influência significativa com o uso do iodeto de potássio, podendo ser eliminada a etapa de pré-redução sem comprometer os resultados. Também foram avaliadas as respostas analíticas obtidas em diferentes concentrações da solução redutora (NaBH4) para que fosse escolhida a melhor condição de formação de hidreto de arsênio e vapor de mercúrio. Os resultados mostraram que a concentração de 0,5% (m v-1) de NaBH4 em meio de 0,25% (m v-1) de NaOH foi a que apresentou melhor exatidão. Foram também avaliados os efeitos de matriz na geração química de vapor, com amostra de fertilizante mineral contendo Zn a 10% (m v-1), Cu a 5% (m v-1) e Mn a 9,8% (m v-1), e os resultados obtidos demonstraram que nas condições adotadas, os elementos presentes na amostra não causaram interferências. Com a mesma amostra de fertilizante, também foram realizados testes de efeito de matriz para aplicação do método de determinações de Cd, Cr e Pb, e para estes analitos também foram observados resultados livres de interferências significativas devido à presença de elevada concentração de outros elementos. Os métodos desenvolvidos foram validados de acordo com o Manual de Garantia da Qualidade (MAPA), apresentando boa linearidade para a faixa de trabalho empregada, apresentando r>0,99 e o gráfico de resíduos mostrou um padrão bastante aleatório, ou seja, o modelo linear fornece um ajuste decente aos dados, boa seletividade, não sofrendo interferência da matriz, boa repetibilidade e precisão intermediária, apresentando CV(%) menor que o desvio padrão relativo calculado pela equação de Horwitz e obedecendo aos testes de hipóteses (ANOVA), boa exatidão, com erros relativos entre -1 e -12%, ou seja, menor que 20%, que é o critério de aceitabilidade estabelecido. Os métodos desenvolvidos são comparáveis aos oficiais / The objective of this work was the development of methods for simultaneous determinations of As and Hg by hydride and vapor generation and simultaneous determinations of Cd, Cr and Pb by direct nebulization of the solution in mineral fertilizers by microwave induced plasma - OES. During development mineral fertilizers samples from the interlaboratory program and also reference material of inorganic fertilizer (SRM® 695 - NIST) were used. Optimizations were made in the operation conditions of the MIP OES to obtain better conditions of the interest analytes determination. The method by chemical vapor generation was also optimized, and the arsenic pre-reduction step was taken, so that simultaneous determination of As and Hg was possible, the test evaluated the observed result in standard solutions of As(III), As(V) and a standard solution containing the two species in the same concentration, in the presence of different concentrations of potassium iodide and also in its absence. The results showed that there wasnt significant influence with the usage of potassium iodide, and the pre-reduction stage could be eliminated without impairing the results. The analytical responses obtained at different concentrations of the reducing solution (NaBH4) were also evaluated in order to obtain the best hydride and vapor formation conditions. The chosen concentration was 0.5% (m v-1) of NaBH4 in 0.25% (m v-1) NaOH. A matrix effect test with mineral fertilizer sample containing 10% Zn (m v-1), Cu at 5% (m v-1) and Mn at 9.8% (m v-1) was carried out to evaluate the effect of these elements on the reaction of chemical vapor generation, and the results showed that in the adopted conditions, the elements present in the sample didnt cause significant interferences. Matrix effect tests were also performed for the Cd, Cr and Pb determinations, and for these analytes, significant interferences werent observed due to the presence of high concentrations of Mn, Zn and Cu. The methods developed were validated according to the Manual of Quality Assurance (MAPA), presenting good linearity for the working range employed, presenting r> 0.99 and the residual plot showed a fairly random pattern, the linear model provides a decent fit to the data, good repeatability and intermediate precision, presenting lower RSD than the RSD calculated by the Horwitz equation and obeying the hypothesis tests (ANOVA), good accuracy, with relative errors between -1 and - 12%, that is, less than 20%, according to the acceptability established criterion. The methods developed are comparable to the official ones.

O dióxido de titânio possui diversas aplicações tecnológicas, desde pigmento em tintas, até revestimentos funcionais. É um material resistente à degradação eletroquímica e fotoquímica. Com o aumento da produção industrial de corantes, há um aumento significativo da produção de rejeitos, sendo necessário o desenvolvimento de novas técnicas de degradação, a fim de reduzir a formação de efluentes. Dentre essas técnicas encontram-se os processos oxidativos avançados (POAs), que se baseiam na formação de radicais hidroxila para a degradação dos compostos liberados nos efluentes. A fotocatálise heterogênea utiliza um material semicondutor ativado por radiação ultra-violeta a fim de produzir os radicais hidroxila. Apesar de existirem estudos relacionados à utilização do TiO2 como fotocatalisador, há poucos dados com relação à sua aplicação na forma de filme suportado. Este trabalho teve por objetivos crescer filmes de TiO2 sobre borossilicato, por meio da técnica de deposição química de organometálicos em fase vapor, nas temperaturas de 400 e 500ºC por até 60 minutos, bem como proceder à caracterização microestrutural, morfológica e fotocatalítica desses filmes. Anatase foi a fase identificada em todos os filmes. Os filmes crescidos a 400°C apresentaram estrutura densificada, enquanto que os filmes crescidos a 500°C apresentaram estrutura colunar bem definida. A fotodegradação foi avaliada por meio da degradação do corante alaranjado de metila nos valores de pH 2,00; 7,00 e 10,00. Os resultados de degradação do corante mostraram que a maior eficiência do processo de degradação ocorre em pH = 2. Nessa condição, os melhores resultados ocorrem com o filme crescido por 30 minutos a 400°C, que apresentou 65,3% de degradação. / Titanium dioxide has many technological applications, as pigment in paints, and functional coatings. It is resistant to electrochemical and photochemical degradation. The increase of the industrial production of dyes results in a significant increase in production of wastes, which requires the development of new degradation techniques to reduce the release of effluents. Among these techniques there is the advanced oxidation process (AOP), which is based on the formation of hydroxyl radicals to the degradation of the compounds in the effluent released. The heterogeneous photocatalysis uses a semiconductor material activated by UV radiation to yield hydroxyl radicals. Although there are studies regarding the use of TiO2 as photocatalyst, there are few data related to its application in the form of supported film. The aim of this study was to grow TiO2 films on borosilicate substrate at 400 and 500°C for up to 60 minutes by using metallorganic chemical vapor deposition technique and proceed to the microstructural, morphology and photocatalytic characterization of the films. Anatase phase was identified in all films. The films grown at 400°C presented a densified structure, while the films grown at 500°C showed well defined columnar structure. The photodegradation was assessed by degradation of methyl orange dye in pH 2.00; 7.00 and 10.00. The results of dye degradation showed that the highest efficiency occurred at pH 2. In this condition, the best results occurred for the film grown for 30 minutes at 400°C and presented a degradation of 65.3%.

O merc´urio (Hg) ´e um metal t´oxico empregado em uma variedade de produtos e processos, representando um risco `a sa´ude dos ind´viduos expostos ocupacional ou acidentalmente a este metal. O am´algama dental ´e um material restaurador que cont ´em Hg met´alico e cujo uso tem sido bastante debatido nas ´ultimas duas d´ecadas. Em vista da dubiedade dos estudos cient´ficos acerca do am´algama dental, muitos esfor¸cos tem sido direcionados `a esta questao. Recentemente, a Funda¸cao de Medicina Tropical do Tocantins iniciou um estudo para avaliar os n´veis de exposi¸cao ambiental e ocupacional ao merc´urio no atendimento odontol´ogico de consult´orios p´ublicos da cidade de Aragua´na em Tocantins (TO). Em colabora¸cao com este estudo, as amostras de urina dos indiv´duos expostos foram analisadas quanto ao teor de merc´urio total por espectrometria de absor¸cao atomica nas dependencias do laborat´orio de an´alises qu´micas do Centro de Qu´mica e Meio Ambiente (IPEN). Para isso, foi preciso selecionar uma metodologia anal´tica capaz de gerar resultados confi´aveis e valid´a-la antes de sua efetiva implanta¸cao. A valida¸cao anal´tica comprova, por meio de ensaios pr´aticos, que o laborat´orio tem condi¸coes de atender aos requisitos necess´arios para a aplica¸cao adequada do m´etodo. O desempenho do m´etodo foi avaliado quanto aos seguintes parametros: limite de detec¸cao e limite de quantifica¸cao, seletividade, sensibilidade, linearidade, exatidao e precisao. Os ensaios foram realizados com material de referencia certificado, o que assegura a rastreabilidade dos resultados. Os resultados obtidos comprovaram a adequabilidade do m´etodo ao prop´osito supracitado. A concentra¸cao de Hg encontrada para o material de referencia foi de (95,12 ± 11,70)g.L1 com uma recupera¸cao de 97%. A metodologia tamb´em foi aplicada `a amostras de urina de 39 indiv´duos, seis das quais (15%) apresentaram n´veis de merc´urio urin´ario superiores ao limite considerado normal (10g.L1). Os resultados obtidos encontram-se em uma faixa de concentra¸cao de 1,02 a 23,36g.L1. / Mercury (Hg) is a toxic metal applied to a variety of products and processes, representing a risk to the health of occupationally or accidentally exposed subjects. Dental amalgam is a restorative material composed of metallic mercury, which use has been widely debated in the last decades. Due to the dubiety of the studies concerning dental amalgam, many efforts concerning this issue have been conducted. The Tropical Medicine Foundation (Tocantins, Brazil) has recently initiated a study to evaluate the environmental and occupational levels of exposure to mercury in dentistry attendants at public consulting rooms in the city of Aragua´na (TO). In collaboration with this study, the laboratory of analysis at IPENs Chemistry and Environment Center is undertaking the analysis of mercury levels in exposed subjects urine samples using cold vapor atomic absorption spectrometry. This analysis requires the definition of a methodology capable of generating reliable results. Such methodology can only be implemented after a rigorous validation procedure. As part of this work, a series of tests were conducted in order to confirm the suitability of the selected methodology and to assert that the laboratory addresses all requirements needed for a successful implementation of the methodology. The following parameters were considered in order to test the methods performance: detection and quantitation limits, selectivity, sensitivity, linearity, accuracy and precision. The assays were carried out with certified reference material, which assures the traceability of the results. Taking into account the estimated parameters, the method can be considered suitable for the afore mentioned purpose. The mercury concentration found for the reference material was of (95,12 ± 11,70)g.L1 with a recovery rate of 97%. The method was also applied to 39 urine samples, six of which (15%) showing urinary mercury levels above the normal limit of 10g.L1. The obtained results fall into a range of concentration from 1,02 to 23,36g.L1.

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.

Devido à diferença de coeficientes de dilatação, são geradas tensões na interface entre o substrato WC-Co e o filme de diamante depositado. Além disso, o cobalto ligante tem efeitos negativos no processo, tanto dissolvendo átomos de carbono e inibindo a nucleação do diamante, quanto catalisando a formação de ligações sp2 entre os átomos de C, típicas da grafite, em detrimento da formação de ligações sp3, típicas do diamante. Neste trabalho, diversos métodos de preparação de interface foram desenvolvidos e aplicados, sendo avaliadas as características mecânicas da interface resultante, relativas à aderência do filme de diamante ao substrato e à tenacidade da superfície resultante. Os métodos de preparação de superfície utilizados tiveram por objetivo eliminar a ação negativa do cobalto. O primeiro fator avaliado para inibir a ação do cobalto foi a sua remoção, até uma profundidade controlada, da superfície de crescimento de diamante. Associadas à remoção do cobalto superficial, diversas variáveis tiveram que ser controladas, como a profundidade de erosão, o método adequado de erosão em termos de eficácia e uniformidade na remoção do cobalto, o retorno do cobalto à superfície, por difusão, durante o processo de crescimento, o efeito da temperatura de crescimento na difusão do cobalto, a fragilização da superfície pela remoção do ligante. Utilizando somente erosão profunda, da ordem de 30 mm, como método de preparação da superfície, obtivemos filmes de diamante aderentes sobre o substrato. Entretanto, o desempenho do substrato revestido não foi adequado, em virtude da fragilização da superfície pela remoção profunda do cobalto ligante. O mérito desta etapa foi o estabelecimento de um método de remoção de cobalto com controle sobre a profundidade de erosão e com uniformidade adequada. Com a verificação de que erosões profundas diminuem a tenacidade da superfície a níveis não aceitáveis, a próxima etapa consistiu na procura de um ou mais métodos, que associados a erosões mais superficiais, conduzissem a filmes aderentes. Outros métodos de modificação da superfície, como implantação iônica de baixa energia e descarburização com posterior recarburização, e também alterações na mistura gasosa com a inclusão de tetrafluoreto de carbono em diversos teores foram analisados em termos de contribuição individual ou associadas. Duas associações das variáveis citadas levaram a resultados expressivos: a) erosão superficial do cobalto e adição de tetrafluoreto de carbono na mistura gasosa e, b) erosão superficial do cobalto e implantação iônica de baixa energia. As cargas críticas de delaminação para as associações acima foram superiores 60 kgf (589 N). Esses resultados são extremamente significativos perante os resultados internacionais publicados.