Na fase isotrópica de um cristal líquido liotrópico induziu-se uma birrefringência a partir de gradientes de velocidades. Os gradientes são produzidos pelo movimento de queda de uma placa plana no interior da amostra. O diagrama de fases (da mistura KL/DeOH/H2O) em função da temperatura apresenta duas fases lamelares (L) limitando a fase isotrópica(I). A perturbação mecânica introduzida na fase isotrópica da mistura induz uma birrefringência que relaxa com um tempo característico, , da ordem de 10 POT -2s. A birrefringência induzida por gradientes de velocidades na fase isotrópica é tratada como um processo de difusão de ordem no interior da mistura. Nesta proposição determina-se, experimentalmente, um comprimento característico, l (que informa sobre as propriedades de correlação entre as micelas), a partir de medidas de transmitância em função do tempo. Esse parâmetro é da ordem de 10 POT -5 cm. O comportamento de e l em função da temperatura indica a existência de uma fase nemática virtual (FNV) no domínio isotrópico. / The flow birefringence induced in a lyotropic mixture in the isotropic phase was produced by means of velocities gradients. The gradients are produced by the movement of a plate inside the sample. As a function of temperature, the isotropic phase(I) is surrounded by two lamellar(L) phases in the phase diagram (mixture KL/DeOH/H2O). The shear flow produced by a perturbation in the isotropic phase induces a birefringence which relaxes with a typical relaxation time, ~10-2 s. The birefringence induced by velocities gradients is treated by means of an order diffusion process into the mixture. In this approach a characteristic length, l, (which informs about the correlation properties between the micelles) is experimentally obtained with the measurement of the transmittance as a function of the time. This parameter is about 10-5cm. The behavior of and 1: versus temperature indicate the existence of a virtual nematic phase(VNP) in the isotropic phase.

Efetuamos o estudo da constante elástica efetiva de splay-bend K IND.13 por técnicas ópticas para um cristal líquido liotrópico. Neste experimento encontramos a razão entre K IND.13 e a constante elástica usual de Frank como sendo positiva e da ordem de 1. A análise teórica mostra que próximo à transição nemática-isotrópica o modelo termodinâmico para a temperatura de transição na superfície funciona razoavelmente bem. Na região de baixas temperaturas próxima à transição lamelarnemática são observados desvios importantes do comportamento teórico. No sentido interpretar os dados experimentais, propomos uma extensão fenomenológica simples do modelo termodinâmico que leva em conta as diferentes contribuições para a energia de superficie e a ordem lamelar residual próxima à superficie na fase nemática. Mostramos além disso que a constante clássica efetiva de splay-bend depende da concentração de ferrofluido na amostra. Analisamos também a influência do tratamento de superfície sobre a parte anisotrópica da tensão superficial de um cristal líquido liotrópico dopado com ferrofluido. Nosso resultado mostra que a superfície plana do vidro, independentemente da presença ou ausência de qualquer tratamento, estabiliza sobre si própria uma camada ou bicamada lamelar formada pelas moléculas anfifílicas do cristal líquido. Esta camada blinda o efeito dos filmes de Langmuir-Blodgett, ou o substrato puro sem nenhum tratamento, sobre o alinhamento de mesofases nemáticas liotrópicas. / The effective splay-bend elastic constant K13 is studied by means of an optical technique for a lyotropic nematic liquid crystal. The ratio between K13 and the usual Frank elastic constant found in this experiment is positive and of the order of 1. The theoretical analysis shows that near the nematic-isotropic transition, the termodynamical model for the temperature surface transition works reasonably well. In the low temperature region near the lamellar-nematic transition, important deviations from the theoretical behavior are observed. In order to interpret our experimental data, we propose a simple phenomenological extension of the termodynamical model that takes into account the different contributions to the surface energy and of the residual lamellar order in the nematic phase. We show, furthermore, that the effective splay-bend elastic constant depends on the ferrofluid doping concentration. The influence of the surface treatment on the ansiotropic part of the surface tension of a discotic micellar lyotropic nematic crystal doped with ferrofluid analysed. Our results show that the flat glass surface, independently of the presence or of the absence of any treatment, stabilizes onto itself a lamellar layer - bilayer - formed by the amphiphilic molecules of the liquid crystal. This layer screens the effect of the Langmuir-Blodgett film - or of the pure substrate without any treatment - on the alignment of the lyotropic nematic mesofase.

A criacao de uma textura periodica por acao de um campo magnetico na fase nematica calamitica de um cristal liquido liotropico, usando a teoria elastica do continuo e estudada. O periodo (p) desta distorcao permite a obtencao da grandeza K IND.3/X IND.ALFA, onde K IND.3 e a constante elastica bend e X IND.ALFA e a anisotropia de susceptibilidade diamagnetica. A existencia de um campo magnetico critico de fredericskz, permite a determinacao de K IND.2/X IND.ALFA, onde K IND.2 e a constante elastica twist. Dopando a amostra com ferrofluido e comparando os resultados de medidas nestas amostras com medidas em amostras sem dopagem, determina-se o valor de X IND.ALFA. A biaxialidade induzida por um agente quiral e medida na transicao de fase colesterica uniaxial-colesterica biaxial no sistema liotropico: laurato de potassio, 1-decanol, agua e um dopante quiral. As medidas mostram que esta transicao e continua mas nao de segunda ordem, como ocorre na transicao nematica uniaxial-nematica biaxial. Esta mudanca e interpretada como um efeito do campo elastico quiral presente nas fases colestericas. / The creation of periodic distortion by the action of a magnetic fields in a nematic calamitic lyotrop liquid crystal using the continuum elastic theory is discussed. The wavelength (P) of that distortion allows the measurement of k3/a, where k3 is the bend elastic constant and a the anisotropy of diamagnetic susceptibility. The existence of a Fredericskz critical magnetic field allows the measurement of k2/a, where k2 is the twist ferrofluid and comparing the measurements in this new sample with those in samples without doping the value of a is obtained. The chirality-induced biaxility is measured at the uniaxial to biaxial cholesteric phase transition of the lyotropic system: potassium laurate, 1-decanol, water and some chiral agent. The measurements show that the uniaxial to biaxial cholesteric phase transition is continuous but not second order as the uniaxial to biaxial nematic phase transition. This change is interpreted to be an effect of the chiral elastic field present in the cholesteric phases.

Consideramos um modelo de interações quadrupolares entre micelas capaz de explicar a ocorrência de fases nemáticas biaxiais. Micelas uniaxiais de formatos variáveis, representando a polidispersividade do sistema, são incluídas. O modelo apresenta uma fase nemática calamítica separada de uma fase discótica por uma fase biaxial, segundo resultados de campo médio e de simulações de Monte Carlo. / We consider a model of quadrupole interactions between micelles which is able to explain the occurrence of biaxial phases. Uniaxial micelles of variable shape, representing system polydispersity, are included. The model displays a calamitic nematic phase separated from a discotic phase by a biaxial phase, according to mean-field and Monte Carlo simulation results.

As propriedades ópticas não-lineares de cristais líquidos liotrópicos dopados com ferrofluido, na escala dos milissegundos, foi estudada mediante a técnica de varredura-z. Estas propriedades foram caracterizadas em diferentes mesofases em função da potência incidente, da quantidade de ferrofluido, da direção do diretor (fase nemática calamítica), da evolução temporal do sinal e da composição relativa das amostras. Propomos que a origem desta resposta óptica não-linear, na escala de tempo de milissegundos, é térmica. Os resultados experimentais foram analisados com base nos modelos de Sheik-Bahae e de Lente Térmica. O modelo de Sheik-Bahae permite obter o índice de refração não-linear n IND.2, e o modelo de Lente Térmica a condutividade térmica k e o coeficiente termoótico dn/dT. É possível estabelecer uma relação entre ambos os modelos, a qual é verificada experimentalmente. Da análise sobre o efeito do ferrofluido na resposta óptica não-linear dos liotrópicos, concluímos que este introduz uma pequena anisotropia na absorção óptica na presença de um campo magnético externo. Um possível mecanismo presente numa amostra ferro-liotrópica iluminada pelo laser é o denominado hipertermia. O estudo da resposta óptica não-linear em amostras liotrópicas com diferentes concentrações relativas, num domínio nemático, à temperatura constante, mostra que é possível associar os comportamentos observados nos parâmetros k, dn/dT e n IND.2, à variação da estrutura microscópica das micelas. / Nonlinear optical properties of ferrofluid-doped lyotropic liquid crystals in the millisecond range were studied using the Z-Scan technique. These properties were characterized in different mesophases as function of the incident power of the laser, ferrofluid concentration, direction of the director (calamitic nematic mesophase), signal\'s temporal evolution and relative concentrations of the samples. We suggest that the lyotropic\'s nonlinear optical properties, in millisecond range, come from a thermal effect. The experimental data were analyzed using the Sheik- Bahae\'s model and the Thermal Lens model. The Sheik-Bahae\'s model allows to get the nonlinear refractive index n2 and the Thermal Lens model gives the thermal conductivity k and the thermo optic coefficient dn/dT. It is possible to set a relationship between Sheik-Bahae\'s model and Thermal Lens model that is experimentally verified. Analyzing the influence of ferrofluid on the lyotropics\'s nonlinear optical response, we conclude that it introduces a small anisotropy in the optical absorption in the presence of an external magnetic field. A possible mechanism that could be present in the ferro-lyotropic sample illuminated by the laser beam is the hyperthermia. The study of the nonlinear optical response of lyotropic samples with different concentrations, in a nematic domain, at constant temperature, shows that it is possible to relate the behaviors observed on k, dn/dT and n2 to a change of microscopic structure of micelles.

A utilização do hidrogênio como vetor energético produzido a partir de fontes renováveis é avaliada como uma das alternativas mais eficientes e ambientalmente amigáveis frente aos combustíveis fósseis. O presente trabalho tem por objetivo contribuir para a viabilização da produção de hidrogênio de alta pureza via eletrólise da água, propondo materiais catódicos de alta eficiência e economicamente atraentes. Carbono vítreo (CV), carbono pirolítico (CP) e grafite moldado (GM) foram testados como material catódico na produção de hidrogênio em solução aquosa de líquido iônico tetrafluoroborato de ácido 3-trietilamônio-propano sulfônico (TEA-PS.BF4). A caracterização física dos materiais de carbono indicou grandes diferenças de microestrutura entre o CV, CP e GM, o que afetou significativamente sua resposta eletroquímica na eletrólise da água. O mecanismo apresentado para todos os materiais estudados foi o de Volmer-Heyrovsky, onde a etapa de dessorção do H2 na superfície catalítica é a etapa determinante da taxa do processo. O eletrodo de GM apresentou o pior desempenho devido à formação de nanobolhas que coalesceram sem dessorver, levando à desativação de sítios catalíticos. Esse fenômeno é atribuído à presença de critalitos grandes e ordenados, com maior número de domínios hidrofóbicos. Os eletrodos de CV e CP apresentaram ótimo desempenho, quando comparados com cátodo de Pt e foram modificados com nanopartículas (NP) de níquel depositadas através da técnica de sputtering, a fim de testar o efeito catalítico na produção de H2. A presença das NP sobre os materiais de carbono não afetou o mecanismo da reação de produção de H2. Além disso, a presença de NP não alterou o desempenho do CV, e dificultou os processos de adsorção de H+ e dessorção do H2 da superfície do eletrodo. Por outro lado, no CP modificado, ocorreu o favorecimento da adsorção de H+ e dessorção do H2 bem como o aumento da densidade de corrente de troca, elevando a atividade catalítica que pode ser atribuída ao aumento da área de sítios ativos, devido à presença das NP suportadas sobre o CP. / The use of hydrogen as an energetic vector produced from renewable sources is evaluated as one of the most efficient and environmentally friendly alternatives to fossil fuels. The present study contribute to the viability of high purity hydrogen production by water electrolysis, proposing cathodic materials of high efficiency and economically attractive. Vitreous carbon (CV), pyrolytic carbon (CP) and molded graphite (GM) were tested as a cathodic material to the hydrogen production in an aqueous solution of ionic liquid tetrafluoroborate of 3-triethylammonio-propane sulfonic acid (TEA-PS.BF4). The physical characterization of carbon materials indicated large differences in the microstructure of CV, CP, and GM, and this significantly affected their electrochemical response in water electrolysis. The mechanism presented for all the materials studied was Volmer-Heyrovsky, where the desorption of H2 at the catalytic surface is the determining step. The GM electrode presented the worst performance due to the formation of nanobubbles that coalesced without desorption, leading to the deactivation of catalytic sites. This phenomenon is attributed to the presence of large and ordered crystallites, with a greater number of hydrophobic domains. The CV and CP electrodes presented an optimum performance when compared to the Pt cathode and were modified with nickel nanoparticles (NP) deposited by the sputtering technique in order to test the catalytic effect on H2 production. The presence of NP on carbon materials did not affect the mechanism of hydrogen production reaction. In addition, the presence of NP did not change the performance of the CV and difficulted the processes of adsorption of H+ and desorption of H2 from the surface of the electrode. On the other hand, the modified CP favored the adsorption of H+ and H2 desorption as well as the increase of the exchange current density, increasing the catalytic activity. It can be attributed to the increase active sites area, due to the presence of NP supported on the CP.

Este trabalho tem por objetivo estudar as interações superfíciais de cristais líquidos em uma interface cristal líquido-polímero, com a utilização de filmes poliméricos contendo cadeias laterais com corante azo. Nesse estudo foi utilizado um fotopolímero, onde pode se promover o ordenamento dos grupos laterais ao longo de uma direção preferencial através de um processo de isomerização trans-cis. Através da irradiação do filme de polímero com luz polarizada é possível promover a formação de uma anisotropia óptica no filme. A intensidade deste efeito pode ser controlada através da energia incidente e da concentração dos grupos laterais corante azo presentes no polímero. Neste trabalho foi realizado um estudo sistemático da orientação induzida ao cristal líquido nemático por um filme contendo corante azo no grupo lateral. Os aspectos investigados são: a estabilidade térmica e temporal do alinhamento induzido ao cristal líquido; a competição entre dois efeitos de orientação induzidos ao cristal líquido, o esfregamento e o fotoalinhamento; a influência da cncentração dos grupos laterais e da energia de irradiação. Para caracterizar as interações entre o cristal líquido e o filme polimérico foram empregadas técnicas ópticas que permitiram a determinação das intensidades de ancoramento azimutal e zenital em função da concentração de grupos laterais e da energia de irradiação. Mostramos ser possível um ancoramento azimutal que pode ter sua intensidade controlada pela concentração dos grupos laterais, pelo tempo de irradiação com luz polarizada, ou ainda pela potência do laser de excitação, e um ancoramento zenital bastante fraco, que praticamente não é afetado pelo processo de foto-isomerização. / The aim of this work is to study the superficial interactions of liquid crystals in an interface liquid Crystal-polymer, with the use of polymer films containing azo-dyes groups as side chain. In this study a photopolymer was used, where the ordering of the side group can be promoted along a preferential direction through a trans-cis isomerization process. Through the irradiation of the polymeric film with polarized light it is possible to promote the formation of an optical anisotropy in the film. The intensity of this effect can be controlled through the incident energy and the concentration of the azo-dye side groups presents in the polymer. In this work a systematic study of the orientation induced to the nematic liquid crystal by a polymeric film containing azo-dye groups in the side group was performed. The investigated aspects are: -The thermal and temporary stability of the alignment induced to the liquid crystal; -The competition among two orientation effects induced to the liquid crystal, the rubbing and the photo alignment; -The influence of the concentration of the side groups and of the irradiation energy. To characterize the interactions between the liquid crystal and the polymeric film we used optical techniques that allowed the determination of the azimuthal and zenithal anchoring strengths as a function of the concentration of side groups and of the irradiation energy. We showed to be possible an azimuthal anchoring that can have its intensity controlled by the concentration of the side groups, and the irradiation time with polarized light, or still for the power of the excitation laser, and a zenithal anchoring quite weak, that practically is not affected by the process of photo isomerization.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Eletrotécnia e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Tese de mestrado integrado. Engenharia do Ambiente (Especialização em Gestão). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharai Civil (especialização em Construções). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008