This thesis describes development of low cost indoor air quality (IAQ) monitoring system for research. It describes data collection of various parameters concentration present in indoor air and sends data back to host PC for further processing. Thesis gives detailed information about hardware and software implementation of IAQ monitoring system. Also discussed are building wireless ZigBee network, creating user friendly graphical user interface (GUI) and analysis of obtained results in comparison with professional benchmark system to check system reliability. Throughputs obtained are efficient enough to use system as a reliable IAQ monitor.

Low dimensional nanostructures of zinc oxide (ZnO), cupric oxide (CuO), and their composite nanostructures possess remarkable physical and chemical properties. Fundamental understanding and manipulation of these unique properties are crucial for all potential applications. Integration of nanostructured ZnO and CuO and their hybrid composites may play a significant role in the existing technology while paving the way for new exciting areas. Solution based low temperature synthesis of ZnO and CuO nanostructures have attracted extensive research efforts during the last decade. These efforts resulted in a plenteous number of nanostructures ranging from quantum dots into very complex three dimensional nanomaterials. Among the various low temperature synthesis methods the hydrothermal technique became one of the most popular approaches. The use of hydrothermal approach enabled the synthesis of diversity of nanomaterials on conventional and nonconventional substrates such as metals, glass, plastic and paper etc. The primary objectives of this thesis are to study and understand the characteristics of nanostructured ZnO, CuO, and their hybrid composites synthesized at low temperature. Likewise, the hybrid composites were successfully utilized to fabricate light emitting diodes and sensors. This thesis is organized into three major parts. In the beginning the synthesis and characterization of nanostructured ZnO, CuO, and their composite nanostructures are elaborated. Efforts have been made to understand the selective assembly of hierarchical CuO nanostructures on ZnO nanorods and to correlate it to the observed unique properties of the CuO/ZnO composite nanostructures. In the second part of the thesis fabrication, characterization, and device application of ZnO/p-polymer hybrid light emitting diode (HyLEDs) on flexible substrates are presented. In particular single and blended p-type light emissive polymers were controllably developed for potential greener and cheaper white light emitters. It was found that the HyLEDs exhibited rectifying diode characteristics together with white light emission covering the entire visible range. In the third part, pH and relative humidity sensing applications of CuO nanoflowers, and CuO/ZnO nanocorals, respectively, are described. A pH sensor based on CuO nanoflowers demonstrated good sensitivity and reproducibility over a wide range of pH. By taking the advantages of the selective growth of CuO nanostructures on ZnO nanorods and their naturally formed p-n heterojunction the realization of high sensitivity humidity sensor was achieved. The humidity sensor fabricated from the CuO/ZnO nanocorals displayed the highest sensitivity factor reported so far for its constituent materials; along with reasonably fast dynamic responses. A brief outlook into future challenges and opportunities are also presented in the last part of the thesis. / Nanophotonics

Le béton est un matériau hétérogène complexe dont les déformations comportent une partie différée qui est affectée par un grand nombre de facteurs tels que la température, l'humidité relative et l'évolution de la microstructure. La prise en compte des déformations différées et en particulier du fluage est indispensable dans le calcul des ouvrages en béton tels que ceux destinés à stocker des déchets radioactifs. Ce travail de thèse a pour objectifs : (1) de développer un modèle de fluage simple et robuste pour le béton en faisant appel à la micromécanique et en tenant compte de l'endommagement et des effets thermiques et hydriques ; (2) d'implanter numériquement le modèle développé dans un code de calcul par éléments finis de façon à pouvoir simuler le comportement d'éléments de structure simples en béton. Pour atteindre ce double objectif, le travail est scindé en trois parties. Dans la première partie, le matériau cimentaire est à l'échelle microscopique supposé être constitué d'une matrice viscoélastique linéaire caractérisée par un modèle de Maxwell généralisé et de phases particulaires représentant les granulats élastiques et les pores. Le schéma micromécanique de Mori-Tanaka, la transformée de Laplace-Carson et son inversion sont alors utilisés pour obtenir dans l'espace temporel des estimations analytiques ou numériques de ses paramètres mécaniques et hydromécaniques. Ensuite, le modèle micromécanique de fluage obtenu est couplé au modèle d'endommagement de Mazars via le concept de pseudo-déformations introduit par Schapery. Les paramètres intervenant dans le modèle viscoélastique endommageable ainsi établi sont systématiquement identifiés à l'aide de données expérimentales. Enfin, la prise en compte des effets de la température et de l'humidité relative dans le modèle viscoélastique endommageable est basée sur la méthode du temps équivalent ; l'efficacité de cette approche est démontrée et discutée dans le cas de chargements simples de fluage / Concrete is a complex heterogeneous material whose deformations include a delayed part that is affected by a number of factors such as temperature, relative humidity and microstructure evolution. Taking into account differed deformations and in particular creep is essential in the computation of concrete structures such as those dedicated to radioactive waste storage. The present work aims: (1) at elaborating a simple and robust model of creep for concrete by using micromechanics and accounting for the effects of damage, temperature and relative humidity; (2) at numerically implementing the creep model developed in a finite element code so as to simulate the behavior of simple structural elements in concrete. To achieve this twofold objective, the present work is partitioned into three parts. In the first part the cement-based material at the microscopic scale is taken to consist of a linear viscoelastic matrix characterized by a generalized Maxwell model and of particulate phases representing elastic aggregates and pores. The Mori-Tanaka micromechanical scheme, the Laplace-Carson transform and its inversion are then used to obtain analytical or numerical estimates for the mechanical and hydromechanical parameters of the material. Next, the original micromechanical model of creep is coupled to the damage model of Mazars through the concept of pseudo-deformations introduced by Schapery. The parameters involved in the creep-damage model thus established are systematically identified using available experimental data. Finally, the effects of temperature and relative humidity are accounted for in the creep-damage model by using the equivalent time method; the efficiency of this approach is demonstrated and discussed in the case of simple creep tests

The present thesis deals with the influnence of moisture flux and variables, it is derived from, on rainfall in Europe. Sources of this thesis are the NCAR/NCEP and the ERA-40 reanalysis and the GPCC and the ECA&D rainfall databases. A western moisture flux prevails on studied 850 hPa isobaric level, it reaches the highest intensities over the Atlantic around 55th parallel of latitude. There is the highest correlation between moisture flux magnitude and monthly rainfall in winter on the western coast of Europe and it decreases in summer and eastwards. The correlation is very weak or none in some parts of Europe, especially in the eastern Mediterranean. Extremely wet months are related with different intensive moisture flux directions in different parts of Europe, for example there is the highest correlation of monthly rainfall with the northern moisture flux in the Czech Republic. Several selected heavy precipitation episodes in Europe are presented in this thesis - during them the moisture flux anomaly is observed, but it differs in orientation and intensity. A high wind speed causes this anomaly more frequently than a humidity. This does not apply to every event, furher research is needed to draw general patterns of moisture flux during high precipitation events.

This thesis concerns the formation, sintering and humidity dependent electrical behaviour of the spinel ceramic material nickel germanate, Ni(_2)Ge0(_4).Ni(_2)Ge0(_4) has been prepared via the solid state reaction between NiO and GeO(_2) over a range of temperatures, and characterised using a number of techniques. The sintering behaviour of pressed pellets of Ni(_2)Ge0(_4) has also been investigated, together with a characterisation of the microstructure of the sintered bodies. Substitutional doping of Ni(_2)GeO(_4) with Li as a replacement for Ni is found to promote a high degree of shrinkage in the sintering process, probably due to the formation of a liquid phase. XRD revealed that even when 10 % of the Ni atoms were replaced with Li, no change in the crystal structure could be detected. A C. impedance spectroscopy of Ni(_2)Ge0(_4) samples was used to investigate the humidity sensitivity of this material. Equivalent circuit analysis, based on a network of resistors and constant phase elements, shows that the humidity sensitivity is due to conduction in a surface layer of water, in agreement with the models currently popular in the Uterature. Measurement of the water adsorption isotherm of Ni(_2)Ge0(_4) in pellet form indicates that a single monolayer of water is formed at around 20 %R(_H), with an approximately linear increase in water layer thickness up to around 80 %R(_H), after which capillary condensation causes a large increase in the volume of adsorbed water. The information gained on the thickness of this layer of water has been correlated with the resistance of the layer measured by impedance spectroscopy, and subsequently used to provide evidence for a model of the humidity sensitive conduction. The conduction in the surface layer is thought to be due to dissociation of the water, where the amount of dissociation is exponentially dependent on the humidity.

A carbonatação acelerada é um processo químico que têm se tornado muito atrativa para a indústria do fibrocimento, por mitigar a degradação das fibras vegetais utilizadas nos materiais e por melhorar o desempenho físico-mecânico dos compósitos. Nesse contexto, o presente trabalho avaliou a influência da umidade no processo de carbonatação acelerada, em fibrocimentos reforçados com polpas celulósicas de eucalipto. Para o desenvolvimento das atividades experimentais foi realizado primeiramente um estudo da evolução da carbonatação nos compósitos de fibrocimento, considerando diferentes concentrações de umidade relativa (60, 70, 80 e 90%). Posteriormente, foi realizada a caracterização dos compósitos de fibrocimento por meio da avaliação do desempenho físico-mecânico, com ensaio mecânico de flexão em quatro pontos que determinou o módulo de ruptura (MOR), módulo elástico (MOE), limite de proporcionalidade (LOP) e energia específica (EE); e ensaios físicos para obtenção dos valores de absorção de água (AA), densidade aparente (DA) e porosidade aparente (PA). Os compósitos foram também avaliados quanto à durabilidade e microestrutura, através de ensaios de envelhecimento acelerado, composição mineralógica e análise microestrutural. A partir dos resultados obtidos, os compósitos carbonatados com 60% de umidade relativa apresentaram maior formação de carbonato de cálcio, maior densificação da matriz cimentícia e, consequentemente, menor quantidade de espaços vazios logo nas primeiras horas de carbonatação. Em relação ao desempenho dos compósitos de fibrocimento, as umidades de 60 e 70% permitiram que a carbonatação proporcionasse maiores valores de MOR, LOP e MOE, diferindo estatisticamente dos demais compósitos. Os ensaios físicos complementaram os ensaios mecânicos, mostrando que os compósitos carbonatados com 60 e 70% de umidade apresentaram menores valores de AA e PA, junto de maiores valores de DA. O processo de carbonatação acelerada foi favorecido pelas menores concentrações de umidade relativa, como apresentado também pelas análises de TG e DRX, que permitiram que o processo acontecesse de forma mais efetiva, melhorando a interface fibra-matriz. / The accelerated carbonation is a process that can be made very feasible for the fiber cement industry, for mitigating the degradation of the vegetable fibers used in the materials and for improving the physico-mechanical performance of composites. In this context, the present work evaluated the influence of relative humidity in the accelerated carbonation process in fiber cement composites reinforced with eucalyptus cellulosic pulps. For the development of experimental activities, a study of the evolution of carbonation in fiber cement composites was carried out, considering different concentrations of relative humidity (60, 70, 80 e 90%). Subsequently, the characterization of fiber cement composites was evaluated through the physical-mechanical performance evaluation, with a four-point mechanical test that determined the modulus of rupture, modulus of elasticity, limit of proportionality and specific energy; and physical tests to obtain the values of water absorption, bulk density and apparent void volume. The composites were also evaluated for durability and microstructure, through accelerated aging, mineralogical composition and microstructural analysis. From the results obtained, the carbonate composites with 60% relative humidity showed a higher calcium carbonate formation, a higher densification of the cementitious matrix and, consequently, a lower amount of voids in the first few hours of carbonation. In relation of the performance of fiber cement composites, the 60 and 70% humidity allowed the carbonation to provide higher values of mechanical analysis, differing statistically from the other composites. The physical tests complemented the mechanical tests, showing that the carbonated composites with 60 and 70% humidity presented lower values of water absorption and apparent void volume, with a greater filling of the empty spaces of the composites. The accelerated carbonation process was favored by the lower concentrations of relative humidity, as also shown by the TG and XRD analyzes, which allowed the process to happen more effectively, improving the fiber-matrix interface.

A matriz elétrica brasileira é baseada em energias renováveis e principalmente, na energia hidráulica. Frente a algumas crises que o país viveu, faz-se necessário encontrar fontes alternativas de produção de energia elétrica que possam auxiliar a principal fonte energética, principalmente no período de estiagem. A biomassa é uma alternativa viável de combustível para a produção de eletricidade através de centrais de geração e cogeração de energia. Dentre as alternativas para a produção de eletricidade, temos as usinas de açúcar e álcool, que possuem um grande potencial de produção energética, que pode ser otimizado através do melhor aproveitamento da queima de bagaço. Esta dissertação estuda todos os elementos de cogeração de energia em usinas sucroalcooleiras, com ênfase no bagaço e na caldeira, propondo uma alternativa para aperfeiçoar a eficiência da queima do bagaço. Esta proposição é por meio da utilização de medidores de vazão e umidade do bagaço, aliado a um controlador lógico que atue sobre as entradas da cogeração de energia, para aumentar a eficiência da malha e diminuir o desperdício das variáveis de entrada. Todas as proposições são simuladas com dados de uma usina de açúcar e álcool, para que seja possível validar o modelo, e comprovar os ganhos provenientes da utilização do controlador. Através deste controlador, verificou-se que a usina queima mais bagaço que o necessário, diminuindo o rendimento da caldeira e perturbando o restante do processo. / The Brazilian electrical energy matrix is based on renewable energies mainly on hydroelectric energy. As the country has experienced some energy crisis, it is necessary to find alternative sources of electric energy production that can help to keep the offer of the main energy source, especially during the dry season. Biomass is a viable alternative fuel for the production of electricity, through generation power plants and cogeneration power plants. Among electricity production alternatives, we have the sugar and alcohol plants, which have a great energy production potential that which can be optimized through the best use of bagasse burning. This dissertation will study all the elements of energy cogeneration in sugarcane plants, by emphasizing bagasse and boiler, proposing an alternative to improve bagasse burning efficiency. This proposition will be proven through the use of flow meters and bagasse moisture, together with a logic controller that acts on the inputs of the energy cogeneration, which increase the efficiency of the mesh and reduce the wastage of the input variables. All propositions will be simulated with data from a sugar and alcohol mill, so that it is possible to validate the model, and to prove the gains from using the controller. Through this controller, it was verified that the plant burns more bagasse than necessary, reducing the efficiency of the boiler and disturbing the rest of the process.

Em virtude da urbanização descontrolada e a falta de um planejamento técnico adequado, bem como, da alta densidade urbana, ocorreu uma ocupação em áreas naturais de extrema importância para a cidade de São Paulo. As construções e a pavimentação reduziram as áreas verdes, o que alterou a temperatura e a circulação dos ventos, provocando a formação da chamada ilha de calor. Esta pesquisa teve como objetivo principal o estudo do impacto no microclima dos telhados verdes ou green roofs - que são coberturas vegetadas, que podem ser extensivas (plantas de porte baixo ou rasteiras) ou intensivas (plantas de porte médio e arbóreo). A metodologia utilizada foi a analítico-comparativa, relacionando a temperatura e umidade relativa do ar, comparando dois tipos de cobertura, uma de telhado verde intensivo (estrutura jardim) localizada no Edifício Conde Matarazzo e, outra de um telhado de concreto localizado no Edifício Mercantil/Finasa, ambos na borda direita do Vale do Anhangabaú, no centro de São Paulo, e ainda com os dados do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), coletado em Santana. Os dados foram organizados em gráficos que retrataram um ano e onze dias de coleta, no período de 20 de março de 2012 a 31 de março de 2013. Ao comparar os dados coletados no telhado verde e de concreto com os dados do INMET, observou-se que durante os horários de maior radiação solar as temperaturas do telhado de concreto e do INMET apresentaram valores similares e elevados, enquanto o telhado verde teve temperatura menos elevada e maior umidade do ar, inclusive aquecendo posteriormente ao telhado de concreto e ao local onde são coletados os dados do INMET. As maiores amplitudes térmicas entre os telhados ocorreram no verão de 2012 e outono de 2013, registrando respectivamente, 6,7º C e 6,6º C e, as maiores amplitudes higrométricas ocorreram no outono e primavera, sendo de 7,1% e 5,2%. A maior variação da temperatura do ar entre os dois telhados foi de 5,3º C e, da umidade foi de 15,7%. Portanto, a pesquisa demonstrou que a utilização deste tipo de cobertura vegetal sobre os telhados, reduz as temperaturas e elevam a umidade do ar no microclima, enquanto que o telhado de concreto eleva a temperatura e reduz a umidade do ar significativamente. Esta cobertura emite calor para atmosfera, principalmente em áreas urbanas altamente adensadas, potencializando a ilha de calor. Assim, conclui-se que o telhado verde ocasiona impactos ambientais positivos no microclima, o que também pode melhorar a qualidade de vida no meio urbano. Mas ainda há um longo caminho a ser percorrido para a implantação deste tipo de cobertura, demandando principalmente do poder público, a promoção de incentivos ao uso deste tipo de telhado. / Due to uncontrolled urbanization and lack of adequate technical planning, as well as the high urban density, people occupied natural areas of vital importance to São Paulo. Buildings construction and road paving diminished green areas, altering wind circulations, creating the so called heat islands. This research had as central aim the study of microclimate impact of the green roofs vegetated coverage that can be extensive (with creeping or low stature plants) or intensive (high stature plants or trees). It was used the comparative-analytical method to compare the temperature and humidity of two different kind of coverage, one is an intensive green roof (garden structure) in the Conde Matarazzos building, and the other a concrete roof at Mercantil/Finasas building, both located at the right side of Anhangabaús valley, in São Paulos centre, and also comparing the INMET (National Meteorological Institute) data, which are collected in Santana. The data were organized in graphics that demonstrates a year and eleven days of data, within march 20th 2012 and march 31th 2013. Comparing the green roof, concrete roof and INMETs one, it was possible to observe that during times of high solar radiation, the concrete roofs and INMETs presented similar and high temperature values, meanwhile the green roofs ones were lower and had higher humidity. It also warms latter in regard to the concrete roof and the place where INMET data are collected. The bigger temperatures range among the roofs happened in the 2012 summer and 2013 fall, marking respectively, 6,7º C and 6,6º C. The bigger humidity ranges happened in the fall and spring: 7,1% and 5,2%. Comparing both the concrete and green roof, the biggest temperature difference was of 5,3 oC, and in humidity was of 15,7%. Therefore, the research proved that the use of this kind of plant coverage over the roofs reduces the temperatures and enhances humidity in the microclimate, while the concrete roof significantly increases the temperatures and decreases humidity, because this kind coverage transmits heat into the atmosphere, especially in high density urban areas, potentiating the heat island. In other words, the green roof causes positive environmental impacts in the microclimate, and can also enhance life quality in urban areas. But there still is a long path until to impart this kind of coverage, with actions to be taken by the government to promote, by incentives, the usage of this type of roof.

Este trabalho teve como objetivo a produção de material compósito e utilização deste em 1) estrutura miniturizada que possibilitasse a mistura de fluidos sem uso de partes móveis, ou seja, fosse um misturador passivo, e, 2) em sistemas de detecção de compostos orgânicos voláteis (VOCs) ou água. Para obter-se tal material, este trabalho optou pela polimerização por plasma de tetraetilortossilicato (TEOS). A escolha de TEOS para a polimerização por plasma decorre da possibilidade de gerar polímeros com características de silicone e que são úteis em sensores de umidade. Além disso, a exposição à radiação ultravioleta pode modificar o caráter hidrofílico/hidrofóbico do filme, já que em micromisturadores passivos, a mistura pode depender da propriedade de hidrofilicidade/hidrofobicidade das superfícies. A produção de compósito corresponde à formação de heterogeneidades, ou clusters, e foi obtida por duas estratégias distintas: a) em uma única etapa, pela formação durante processo de deposição dos filmes e com um único reagente ou pela co-deposição de filme fluorado, obtido a partir de metil-nonafluoro(iso)butil-éter (HFE 7100®); b) pela exposição dos filmes obtidos a duas radiações de natureza distintas - radiação ultravioleta (UVC) ou radiação beta (feixe de elétrons: 2MeV, 10-100 nA, 10-60 s) e eventualmente ambas estratégias. Estes filmes foram avaliados por uma série de técnicas de caracterização químicas ou físicas: perfilometria e elipsometria para avaliação da taxa de deposição e índice de refração; Microscopia Raman e espectroscopias de infravermelho (FTIR) e por fotoelétrons de raios-X (XPS) para avaliação do ambiente químico; Microscopias óptica e eletrônica por varredura (MEV) para análise do aspecto superficial e a formação de clusters, esta última com o auxílio do software ImageJ®; medidas de ângulo de contato com água e reagentes orgânicos em ampla faixa de polaridade, em um equipamento proposto e testado neste trabalho, para avaliar as características de adsorção. Foi possível produzir filmes finos compósitos a partir de um único reagente (TEOS) e também por mistura deste com reagente HFE. Microscopia Raman indicou que estas desuniformidades têm estruturas semelhantes a silicone ou grafite. Dependendo dos parâmetros de processo, é possível a obtenção de várias fases distintas, como filmes sem desuniformidades, somente com clusters de carbono ou silicone ou ambos, numa ampla gama de possibilidades, sem, no entanto, que a dependência dos parâmetros de processo seja clara. O filme obtido é hidrofóbico, com ângulos por volta de 90º, mas podem variar ligeiramente nas amostras obtidas com inserção de HFE ou com o tipo de cluster formado na superfície e sua distribuição. Naquelas com grande concentração de clusters de grafite, o ângulo pode ser levemente menor provavelmente devido à adsorção. Os clusters apresentaram dimensões médias de 1-5 µm² e a dispersão ao longo da superfície variou grandemente entre as amostras. Os índices de refração dos filmes variaram de 1,4 a 1,7; a taxa de deposição pode variar significativamente, até um máximo de 30 nm/min; espectroscopias de infravermelho e por fotoelétrons de raios-X detectaram espécies Si-O-Si e CHn. A exposição à radiação UVC causou alterações químicas e físicas nos filmes expostos. Observou-se alteração na coloração (espessura), mas não se observaram mudanças na densidade nem na dimensão dos clusters (de carbono e silicone). Análises por FTIR mostraram alterações sutis na banda com pico em 1100 cm-¹ nas amostras expostas à UVC, um indicativo da alteração nas ligações químicas. Também ocorreu alteração moderada nos valores de ângulos de contato para água e soluções aquosas. O uso de radiação ultravioleta criou regiões com adsorção preferencial de reagentes orgânicos mas não água. O mesmo não se pode dizer do uso de radiação beta, pois não foi detectada alteração significativa, mesmo para as maiores doses eletrônicas utilizadas (100 nA, 60 s). Portanto, estes filmes provavelmente são úteis como barreiras protetoras contra a radiação beta. Misturadores passivos, a partir de canais tridimensionais e variação das propriedades hidrofóbica/hidrofílica da superfície, foram projetados e simulados utilizando-se o software FemLab 3.2®. Aqueles que mostraram maior probabilidade de promover mistura foram construídos utilizando-se uma máscara mecânica e testados para a formação de spray e/ou de emulsão água/óleo, em fase líquida, e mistura de VOCs, em fase gasosa. Nesse caso, o uso de filmes a base de TEOS/HFE é indicado devido ao caráter oleofóbico do filme a base de HFE, o que aumenta a proteção da superfície à exposição aos compostos orgânicos. Os filmes são moderadamente resistentes a ácidos e bases, muito embora inicialmente reajam com água e percam radicais carbônicos. Assim, após condicionamento do filme por cinco dias, a exposição à solução aquosa de cloreto de sódio 0,9% não mostrou alteração significativa no potencial eletroquímico. Além disso, todos os filmes analisados apresentaram sensibilidades semelhantes a reagentes orgânicos em solução aquosa, com o ângulo de contato diminuindo sensivelmente e se aproximando de zero. Portanto, tais filmes provavelmente são indicados no desenvolvimento de microeletrodos, tanto para formação de eletrodo de trabalho como para proteção do eletrodo de referência. Testes com microbalança de quartzo, e eletrodos interdigitados, usando câmara para controle de umidade indicaram que filmes a base de TEOS, obtidos em uma única etapa, são úteis para medida de umidade na faixa de 25% a 85%. Para VOCs, contudo, a sensibilidade é baixa, na ordem de fração de porcentagem. As curvas CV mostraram que o comportamento dos filmes é reprodutível sobre silício, portanto, seu uso no desenvolvimento de sensores não pode ser descartado. Assim, os resultados apontam o uso destes filmes em sensores de umidade ou como camadas passivas em misturadores. / The aim of this work was the production of a composite material and its use in 1) miniaturized structure useful as passive mixer and 2) system for volatile organic compounds (VOCS) or water detection. This material was obtained by tetraethoxysilane (TEOS) plasma polymerization. TEOS choice is due its ability in forming silicone-like polymeric structures, useful for humidity detection. Moreover, exposition to ultraviolet light can change the hydrophilic/hydrophobic character of the film surface, an important feature since mixing can rely on surfaces changes inside passive mixers. The obtaining of composite material corresponds to the production of clustered films and it can be accomplished by two different strategies: a) in a single step, using just one reactant (TEOS) or by co-deposition with methylnonafluoro(iso)buthylether (HFE 7100®); b) film production and exposure to ultraviolet radiation (UVC) or beta radiation (e-beam: 2MeV, 10-100 nA, 10-60 s) or even the combination of these two strategies. Films were chemically and physically evaluated using several techniques. Profilometer and elipsometer were used to determine deposition rate and refractive index; Raman microscopy and infrared and X-ray photoelectron spectroscopy evaluated the chemical environment. Optical and secondary electron microcopies aside with ImageJ® software were applied for understanding cluster formation. Contact angle measurement with water and several organic compounds were obtained in a setup developed in this work. These data give insights on adsorption behavior. Composite were obtained using a single reactant (TEOS) or a mixture (TEOS+HFE). Raman microscopy revealed clusters made of silicone or graphite. Production of such structures is dependent of process parameters; therefore, it is possible to obtain several distinct phases, such as uniform films, with carbon only or silicone only clusters, or even both carbon and silicone at the same sample. However, it is not clear the interdependence among these parameters. Films are hydrophobic, with water contact angle approximately 90º, but slightly varying by HFE inclusion or according to the cluster formed and its distribution on the surface. High surface density of carbon nodules can lead to lower angles, probably due to adsorption. Clusters dimensions are 1-5 µm² but cluster density varies significantly among samples. Refractive index can vary from 1,4 to 1,7 and deposition rates up to 30 nm/min can be achieved. Infrared and X-ray photoelectron spectroscopy detected Si-O-Si e CHn species. Ultraviolet exposure caused physical and chemical variations. Thus, it was observed thickness variation but not changes on clusters density or dimensions. Due to chemical changes after UVC exposure, slight variations were observed on 1100 cm-¹ band with infrared analysis and in contact angles, with water and aqueous solutions. UVC determined preferential adsorption for organic compounds but the same did not occur with water. On the other hand, beta radiation was not effective in promoting alterations, even with large doses (100 nA, 60 s). Therefore, these are probably useful as barrier to this radiation. Passive mixers based in three-dimensional microchannels were designed and simulated, regarding hydrophobic/hydrophilic character, using FemLab 3.2® software. The best simulated result response for mixing was produced using just a mechanical mask and tested for emulsion and spray formation, in liquid phase, or mixing of VOCs, in gas phase. TEOS/HFE films are the best choice due to the oleophobic character of HFE films, which increases surface protection to organic compounds exposure. Films are reasonably resistant to acid and basic solutions, although chemical reaction will occur immediately after water exposure and will lead to removal of carbon radicals. Thus, after water conditioning processed constantly during five days, exposition to 0.9% of sodium chloride aqueous solution does not alter significantly the electrochemical potential. Furthermore, for all films contact angle with organic aqueous solutions diminish and even tend to zero. Thus, such films probably can be used on the development of microelectrodes, not only as work electrode but also as protection for reference electrode. Quartz crystal measurements and interdigitated electrodes inside a weathering test chamber indicate that TEOS films could be used for humidity detection in a range of 25% to 85%. However, VOCS showed low sensibility, i.e., percentage fraction. CV curves showed a reproducible behavior in silicon, which seems adequate for sensors development. Therefore, the results pointed out that these films could be used in humidity sensors or as passive layers in mixers.

Este trabalho teve como objetivo a produção de material compósito e utilização deste em 1) estrutura miniturizada que possibilitasse a mistura de fluidos sem uso de partes móveis, ou seja, fosse um misturador passivo, e, 2) em sistemas de detecção de compostos orgânicos voláteis (VOCs) ou água. Para obter-se tal material, este trabalho optou pela polimerização por plasma de tetraetilortossilicato (TEOS). A escolha de TEOS para a polimerização por plasma decorre da possibilidade de gerar polímeros com características de silicone e que são úteis em sensores de umidade. Além disso, a exposição à radiação ultravioleta pode modificar o caráter hidrofílico/hidrofóbico do filme, já que em micromisturadores passivos, a mistura pode depender da propriedade de hidrofilicidade/hidrofobicidade das superfícies. A produção de compósito corresponde à formação de heterogeneidades, ou clusters, e foi obtida por duas estratégias distintas: a) em uma única etapa, pela formação durante processo de deposição dos filmes e com um único reagente ou pela co-deposição de filme fluorado, obtido a partir de metil-nonafluoro(iso)butil-éter (HFE 7100®); b) pela exposição dos filmes obtidos a duas radiações de natureza distintas - radiação ultravioleta (UVC) ou radiação beta (feixe de elétrons: 2MeV, 10-100 nA, 10-60 s) e eventualmente ambas estratégias. Estes filmes foram avaliados por uma série de técnicas de caracterização químicas ou físicas: perfilometria e elipsometria para avaliação da taxa de deposição e índice de refração; Microscopia Raman e espectroscopias de infravermelho (FTIR) e por fotoelétrons de raios-X (XPS) para avaliação do ambiente químico; Microscopias óptica e eletrônica por varredura (MEV) para análise do aspecto superficial e a formação de clusters, esta última com o auxílio do software ImageJ®; medidas de ângulo de contato com água e reagentes orgânicos em ampla faixa de polaridade, em um equipamento proposto e testado neste trabalho, para avaliar as características de adsorção. Foi possível produzir filmes finos compósitos a partir de um único reagente (TEOS) e também por mistura deste com reagente HFE. Microscopia Raman indicou que estas desuniformidades têm estruturas semelhantes a silicone ou grafite. Dependendo dos parâmetros de processo, é possível a obtenção de várias fases distintas, como filmes sem desuniformidades, somente com clusters de carbono ou silicone ou ambos, numa ampla gama de possibilidades, sem, no entanto, que a dependência dos parâmetros de processo seja clara. O filme obtido é hidrofóbico, com ângulos por volta de 90º, mas podem variar ligeiramente nas amostras obtidas com inserção de HFE ou com o tipo de cluster formado na superfície e sua distribuição. Naquelas com grande concentração de clusters de grafite, o ângulo pode ser levemente menor provavelmente devido à adsorção. Os clusters apresentaram dimensões médias de 1-5 µm² e a dispersão ao longo da superfície variou grandemente entre as amostras. Os índices de refração dos filmes variaram de 1,4 a 1,7; a taxa de deposição pode variar significativamente, até um máximo de 30 nm/min; espectroscopias de infravermelho e por fotoelétrons de raios-X detectaram espécies Si-O-Si e CHn. A exposição à radiação UVC causou alterações químicas e físicas nos filmes expostos. Observou-se alteração na coloração (espessura), mas não se observaram mudanças na densidade nem na dimensão dos clusters (de carbono e silicone). Análises por FTIR mostraram alterações sutis na banda com pico em 1100 cm-¹ nas amostras expostas à UVC, um indicativo da alteração nas ligações químicas. Também ocorreu alteração moderada nos valores de ângulos de contato para água e soluções aquosas. O uso de radiação ultravioleta criou regiões com adsorção preferencial de reagentes orgânicos mas não água. O mesmo não se pode dizer do uso de radiação beta, pois não foi detectada alteração significativa, mesmo para as maiores doses eletrônicas utilizadas (100 nA, 60 s). Portanto, estes filmes provavelmente são úteis como barreiras protetoras contra a radiação beta. Misturadores passivos, a partir de canais tridimensionais e variação das propriedades hidrofóbica/hidrofílica da superfície, foram projetados e simulados utilizando-se o software FemLab 3.2®. Aqueles que mostraram maior probabilidade de promover mistura foram construídos utilizando-se uma máscara mecânica e testados para a formação de spray e/ou de emulsão água/óleo, em fase líquida, e mistura de VOCs, em fase gasosa. Nesse caso, o uso de filmes a base de TEOS/HFE é indicado devido ao caráter oleofóbico do filme a base de HFE, o que aumenta a proteção da superfície à exposição aos compostos orgânicos. Os filmes são moderadamente resistentes a ácidos e bases, muito embora inicialmente reajam com água e percam radicais carbônicos. Assim, após condicionamento do filme por cinco dias, a exposição à solução aquosa de cloreto de sódio 0,9% não mostrou alteração significativa no potencial eletroquímico. Além disso, todos os filmes analisados apresentaram sensibilidades semelhantes a reagentes orgânicos em solução aquosa, com o ângulo de contato diminuindo sensivelmente e se aproximando de zero. Portanto, tais filmes provavelmente são indicados no desenvolvimento de microeletrodos, tanto para formação de eletrodo de trabalho como para proteção do eletrodo de referência. Testes com microbalança de quartzo, e eletrodos interdigitados, usando câmara para controle de umidade indicaram que filmes a base de TEOS, obtidos em uma única etapa, são úteis para medida de umidade na faixa de 25% a 85%. Para VOCs, contudo, a sensibilidade é baixa, na ordem de fração de porcentagem. As curvas CV mostraram que o comportamento dos filmes é reprodutível sobre silício, portanto, seu uso no desenvolvimento de sensores não pode ser descartado. Assim, os resultados apontam o uso destes filmes em sensores de umidade ou como camadas passivas em misturadores. / The aim of this work was the production of a composite material and its use in 1) miniaturized structure useful as passive mixer and 2) system for volatile organic compounds (VOCS) or water detection. This material was obtained by tetraethoxysilane (TEOS) plasma polymerization. TEOS choice is due its ability in forming silicone-like polymeric structures, useful for humidity detection. Moreover, exposition to ultraviolet light can change the hydrophilic/hydrophobic character of the film surface, an important feature since mixing can rely on surfaces changes inside passive mixers. The obtaining of composite material corresponds to the production of clustered films and it can be accomplished by two different strategies: a) in a single step, using just one reactant (TEOS) or by co-deposition with methylnonafluoro(iso)buthylether (HFE 7100®); b) film production and exposure to ultraviolet radiation (UVC) or beta radiation (e-beam: 2MeV, 10-100 nA, 10-60 s) or even the combination of these two strategies. Films were chemically and physically evaluated using several techniques. Profilometer and elipsometer were used to determine deposition rate and refractive index; Raman microscopy and infrared and X-ray photoelectron spectroscopy evaluated the chemical environment. Optical and secondary electron microcopies aside with ImageJ® software were applied for understanding cluster formation. Contact angle measurement with water and several organic compounds were obtained in a setup developed in this work. These data give insights on adsorption behavior. Composite were obtained using a single reactant (TEOS) or a mixture (TEOS+HFE). Raman microscopy revealed clusters made of silicone or graphite. Production of such structures is dependent of process parameters; therefore, it is possible to obtain several distinct phases, such as uniform films, with carbon only or silicone only clusters, or even both carbon and silicone at the same sample. However, it is not clear the interdependence among these parameters. Films are hydrophobic, with water contact angle approximately 90º, but slightly varying by HFE inclusion or according to the cluster formed and its distribution on the surface. High surface density of carbon nodules can lead to lower angles, probably due to adsorption. Clusters dimensions are 1-5 µm² but cluster density varies significantly among samples. Refractive index can vary from 1,4 to 1,7 and deposition rates up to 30 nm/min can be achieved. Infrared and X-ray photoelectron spectroscopy detected Si-O-Si e CHn species. Ultraviolet exposure caused physical and chemical variations. Thus, it was observed thickness variation but not changes on clusters density or dimensions. Due to chemical changes after UVC exposure, slight variations were observed on 1100 cm-¹ band with infrared analysis and in contact angles, with water and aqueous solutions. UVC determined preferential adsorption for organic compounds but the same did not occur with water. On the other hand, beta radiation was not effective in promoting alterations, even with large doses (100 nA, 60 s). Therefore, these are probably useful as barrier to this radiation. Passive mixers based in three-dimensional microchannels were designed and simulated, regarding hydrophobic/hydrophilic character, using FemLab 3.2® software. The best simulated result response for mixing was produced using just a mechanical mask and tested for emulsion and spray formation, in liquid phase, or mixing of VOCs, in gas phase. TEOS/HFE films are the best choice due to the oleophobic character of HFE films, which increases surface protection to organic compounds exposure. Films are reasonably resistant to acid and basic solutions, although chemical reaction will occur immediately after water exposure and will lead to removal of carbon radicals. Thus, after water conditioning processed constantly during five days, exposition to 0.9% of sodium chloride aqueous solution does not alter significantly the electrochemical potential. Furthermore, for all films contact angle with organic aqueous solutions diminish and even tend to zero. Thus, such films probably can be used on the development of microelectrodes, not only as work electrode but also as protection for reference electrode. Quartz crystal measurements and interdigitated electrodes inside a weathering test chamber indicate that TEOS films could be used for humidity detection in a range of 25% to 85%. However, VOCS showed low sensibility, i.e., percentage fraction. CV curves showed a reproducible behavior in silicon, which seems adequate for sensors development. Therefore, the results pointed out that these films could be used in humidity sensors or as passive layers in mixers.