Health monitoring is an important field as small failures can build up and cause a catastrophic failure. Monitoring the health of a structure can be done by measuring the motion of the structure through the use of strain sensors. The limitations of current strain sensing technology; cost, size, form could be improved. This research intends to improve current strain sensing technology by creating a conductive polymer composite that can be used monitor health in structures. Conductive polymer composites are a viable candidate due to the low costs of manufacturing, tailorable mechanical and electrical properties, and uniform microstructure. This work will focus on determining if a all-polymer composite can be used as a strain sensor, and investigating the effects of filler, doping and latex effect the electrical and strain sensing properties. Strain sensors were prepared from polyaniline (PANI)-latex composites, the morphology, mechanical, electrical and strain sensing properties were evaluated. These strain sensors were capable of repeatable measuring strain to 1% and able to measure strain until the substrates failure at 5% strain, with a sensitivity (measured by gauge factor) of between 6-8 (metal foil strain sensors have a gauge factor of 2). The best performing strain sensor consisted of 4 wt.% polyaniline. This composition had the best combination of gauge factor, linearity, and signal stability. Further experiments were conducting to see if improvements could be made by changing the polymer used for the matrix material, the molecular weight and the level of doping of the polyaniline. Results indicate through differences in strain sensing response; lower hysteresis and unrecoverable conductivity, that polyaniline latex composites can be adjusted to further improve their performance. The polyaniline-latex composites were able to repeatable measure strain to 1%, as well as strain until failure and with gauge factor between 6-8, and a 70% increase in signal at failure. These properties make these composites viable candidates to monitor health in structures, buildings, bridges, and damns.

none

µL

Photonic crystals (PCs) are structures with spatially periodic variations in dielectric constants. The prime property of PCs is the existence of the photonic band gaps (PBGs) which could prohibit the propagation of light within a certain frequency range. Once the PC structures are fabricated, it is hard to tune their optical properties for the fixed geometries. Thus, it is important to develop tunable PC waveguide devices for the applications in the photonic integrated circuits. We utilize the mode-gap effect to design two-dimensional (2-D) tunable Y-shaped PC waveguides with the polyaniline type electrorheological (ER) fluids. The propagation of light on the Y-shaped waveguide can be controlled by applying the electric field in specific regions. Besides, we also propose a tunable multi-channel PC waveguide with the polyaniline type ER fluids. We then investigate the tunable propagation characteristics of a 2-D single line-defect PC waveguide with liquid crystals (LCs) by varying the direction of LCs and the hole sizes. We also simulate the tunable optical properties of a 2-D Y-shaped PC waveguide utilizing LCs. Finally, we consider a 3-D Y-shaped PC slab waveguide with LCs. The effects of the direction of LCs and the slab thickness are discussed.

Es wurden Versuche zur Verbesserung der pH–Wert-Abhängigkeit der elektrochemischen Aktivität von Polyanilin (PANI) durch elektrochemische Copolymerisation von Anilin (ANI) mit o-Aminophenol (OAP), einem Anilinderivat mit zwei oxidierbaren Gruppen (Amino- und Hydroxylgruppe), durchgeführt. Diese Eigenschaft ist für die Anwendung in Sensoren, Biosensoren, Biokraftstoffzellen und Akkus erstrebenswert. Die Copolymerisation wurde mit verschiedenen Konzentrationen von OAP und einer konstanten Konzentration von AN in wässriger Schwefelsäurelösung durchgeführt. Die Überwachung der Copolymerisation erfolgte mit Hilfe zyklischer Voltammetrie (CV) und in situ UV-Vis Spektroskopie wurde die verfolgt. Homo- und Copolymere wurden mittels CV, in situ Leitfähigkeitsmessungen, FTIR-Spektroskopie, in situ UV-Vis und Raman-spektroelektrochemischen Untersuchungen charakterisiert. Die Copolymerisationsrate und die Eigenschaften der Copolymere hängen in hohem Maße von der Monomerkonzentration ab. Bei hohen OAP–Molarbrüchen wurde eine starke Hemmung der Elektropolymerisation beobachtet. Die unter optimalen Bedingungen hergestellten CVs der Copolymere zeigen eine Verschiebung des ersten Redoxpaares um 0,10 V in positive Richtung. Der Reduktionspeak des ersten PANI-Redoxpaares ist durch ein Stromplateau zwischen 0,06 und 0,28 V ersetzt. Die Copolymere weisen eine gute Haftung auf der Elektrodenoberfläche auf und zeigen Redoxprozesse bis pH = 10,0 (Copolymere A und B). Wie bei PANI wurden bei den in situ Leitfähigkeitsmessungen der Copolymere zwei Umwandlungen beobachtet. Im Vergleich dazu waren die Leitfähig keiten jedoch um 2,5 bis 3,0 Größenordnungen geringer. Nach der Initiationsreaktion zeigte die Elektrosynthese von PANI auf POAP–modifizierten Elektroden eine Copolymerbildu ng und schließlich die Bildung eines PANI–Films an der Grenzfläche Copolymer/Lösung. Der “Memoryeffekt“ der Doppelschichtstrukturen beider Polymere wird in Bezug auf die während der Redoxprozesse stattfindenden Protonierung/Deprotonierung und Anionenver brauch diskutiert. In situ UV-Vis spektroelektrochemische Studien der Copolymerisation von OAP mit ANI bei konstanten Potentialen auf Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glaselektroden zeigten die Bildung eines Zwischenproduktes bei der Initialisierung der Copolymerisation durch eine Reaktion der OAP–Kationenradikale mit denen des ANI. Es bilden sich Kopf-Schwanz-Dimere oder Oligomere. Im UV-Vis Spektrum wurde dem Zwischenprodukt ein Adsorptionspeak bei 520 nm zugeschri- eben. Weiterhin wurden charakteristische UV-Vis und Raman-Banden der Copolymere auf ITO–Glas - und Goldelektroden identifiziert und deren Einfluss auf das Elektrodenpotenzial erörtert. Die spektroelektrochemischen Ergebnisse zeigen die Bildung von auf PANI basierenden Copolymeren bei geringen OAP–Konzentrationen. Der vermehrte Einbau von OAP–Einheiten in das Copolymer bei höheren OAP–Konzentrationen führte jedoch zu signifikanten spektroelektrochemischen Unterschieden im Vergleich zu den beiden Homopolymeren, was auch die FTIR-Spektren unterstreichen. Die CVs der POAP–Filme, die potentiostatisch bei relativ niedrigen Elektrodenpotentialen (ESCE = 0,70…0,80 V) synthetisiert wurden, zeigen zwei Redoxprozesse, im Gegensatz zu den in der Literatur veröffentlichten Werten über potenziodynamisch hergestelltes POAP (ESCE = 0,29 V). Das Polymer wurde mittels in situ UV-Vis und in situ Raman Spektroelektrochemie untersucht. Unter Verwendung eines Kr+-Lasers (647.1 nm) wird das um 1645 cm-1 beobachtete Raman-Band diskutiert. Die Intensität dieses Bandes wächst in positive Potentialrichtung bis zu einem Maximum von ESCE = 0,30 V. Danach fällt es wieder ab, was auf das Vorhandensein von Zwischenprodukten schließen lässt.

Es wurden Versuche zur Verbesserung der pH–Wert-Abhängigkeit der elektrochemischen Aktivität von Polyanilin (PANI) durch elektrochemische Copolymerisation von Anilin (ANI) mit o-Aminophenol (OAP), einem Anilinderivat mit zwei oxidierbaren Gruppen (Amino- und Hydroxylgruppe), durchgeführt. Diese Eigenschaft ist für die Anwendung in Sensoren, Biosensoren, Biokraftstoffzellen und Akkus erstrebenswert. Die Copolymerisation wurde mit verschiedenen Konzentrationen von OAP und einer konstanten Konzentration von AN in wässriger Schwefelsäurelösung durchgeführt. Die Überwachung der Copolymerisation erfolgte mit Hilfe zyklischer Voltammetrie (CV) und in situ UV-Vis Spektroskopie wurde die verfolgt. Homo- und Copolymere wurden mittels CV, in situ Leitfähigkeitsmessungen, FTIR-Spektroskopie, in situ UV-Vis und Raman-spektroelektrochemischen Untersuchungen charakterisiert. Die Copolymerisationsrate und die Eigenschaften der Copolymere hängen in hohem Maße von der Monomerkonzentration ab. Bei hohen OAP–Molarbrüchen wurde eine starke Hemmung der Elektropolymerisation beobachtet. Die unter optimalen Bedingungen hergestellten CVs der Copolymere zeigen eine Verschiebung des ersten Redoxpaares um 0,10 V in positive Richtung. Der Reduktionspeak des ersten PANI-Redoxpaares ist durch ein Stromplateau zwischen 0,06 und 0,28 V ersetzt. Die Copolymere weisen eine gute Haftung auf der Elektrodenoberfläche auf und zeigen Redoxprozesse bis pH = 10,0 (Copolymere A und B). Wie bei PANI wurden bei den in situ Leitfähigkeitsmessungen der Copolymere zwei Umwandlungen beobachtet. Im Vergleich dazu waren die Leitfähig keiten jedoch um 2,5 bis 3,0 Größenordnungen geringer. Nach der Initiationsreaktion zeigte die Elektrosynthese von PANI auf POAP–modifizierten Elektroden eine Copolymerbildu ng und schließlich die Bildung eines PANI–Films an der Grenzfläche Copolymer/Lösung. Der “Memoryeffekt“ der Doppelschichtstrukturen beider Polymere wird in Bezug auf die während der Redoxprozesse stattfindenden Protonierung/Deprotonierung und Anionenver brauch diskutiert. In situ UV-Vis spektroelektrochemische Studien der Copolymerisation von OAP mit ANI bei konstanten Potentialen auf Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glaselektroden zeigten die Bildung eines Zwischenproduktes bei der Initialisierung der Copolymerisation durch eine Reaktion der OAP–Kationenradikale mit denen des ANI. Es bilden sich Kopf-Schwanz-Dimere oder Oligomere. Im UV-Vis Spektrum wurde dem Zwischenprodukt ein Adsorptionspeak bei 520 nm zugeschri- eben. Weiterhin wurden charakteristische UV-Vis und Raman-Banden der Copolymere auf ITO–Glas - und Goldelektroden identifiziert und deren Einfluss auf das Elektrodenpotenzial erörtert. Die spektroelektrochemischen Ergebnisse zeigen die Bildung von auf PANI basierenden Copolymeren bei geringen OAP–Konzentrationen. Der vermehrte Einbau von OAP–Einheiten in das Copolymer bei höheren OAP–Konzentrationen führte jedoch zu signifikanten spektroelektrochemischen Unterschieden im Vergleich zu den beiden Homopolymeren, was auch die FTIR-Spektren unterstreichen. Die CVs der POAP–Filme, die potentiostatisch bei relativ niedrigen Elektrodenpotentialen (ESCE = 0,70…0,80 V) synthetisiert wurden, zeigen zwei Redoxprozesse, im Gegensatz zu den in der Literatur veröffentlichten Werten über potenziodynamisch hergestelltes POAP (ESCE = 0,29 V). Das Polymer wurde mittels in situ UV-Vis und in situ Raman Spektroelektrochemie untersucht. Unter Verwendung eines Kr+-Lasers (647.1 nm) wird das um 1645 cm-1 beobachtete Raman-Band diskutiert. Die Intensität dieses Bandes wächst in positive Potentialrichtung bis zu einem Maximum von ESCE = 0,30 V. Danach fällt es wieder ab, was auf das Vorhandensein von Zwischenprodukten schließen lässt.

Univ., Diss., 2003--Kassel

Universiẗat, Diss., 2004--Kassel.

A pesquisa na área de biossensores de glicose tem crescido muito nos últimos anos, devido a sua grande importância no monitoramento contínuo da glicemia em pessoas com diabetes. O estudo da utilização de novos materiais nestes dispositivos, como os polímeros condutores e nanopartículas de ouro, tem sido alvo de extensas pesquisas. Neste trabalho, a polianilina (PAni), um dos polímeros condutores mais estudados, foi sintetizada quimicamente na presença de poli(óxido de etileno) (PEO) e também na presença de PEO e de ácido cloroáurico (HAuCl4), para a formação de nanopartículas de ouro (NPAu). Estes nanocompósitos foram utilizados na fabricação de um biossensor eficiente para glicose, servindo de suporte para a imobilização da enzima glicose oxidase (GOx) e de facilitadores do transporte de elétrons. Os polímeros foram caracterizados por infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), microscopia eletrônica de transmissão (MET), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia UV-visível, voltametria cíclica e pelo método padrão de 4 pontas. Para a produção dos biossensores, parâmetros como a quantidade de polímero a ser aplicada sobre os eletrodos, a concentração da GOx, o pH do eletrólito de realização dos ensaios eletroquímicos e a quantidade de mediador no eletrólito, foram avaliadas previamente por voltametria cíclica, a fim de encontrar a máxima resposta eletroquímica do biossensor. Além dos ensaios de voltametria cíclica, os biossensores foram caracterizados por espectroscopia de impedância eletroquímica e por cronoamperometria. Através dos ensaios de cronoamperometria foi verificado que o biossensor de PAni-PEO detecta glicose em uma faixa de concentrações de 1 a 10 mM, com sensibilidade de 16,04 μA mM-1 cm-2, e o de PAni-PEO-NPAu, na faixa de 0,1 a 5,5 mM, com sensibilidade de 5,5 e 0,76 μA mM-1 cm-2, nas faixas de concentração de 0,1 a 0,5 e de 1,5 a 5,5 mM, respectivamente. Além disso, ambos os biossensores apresentaram seletividade a interferentes como ácido ascórbico e ácido úrico, confirmando que o sinal gerado nos ensaios eletroquímicos refere-se efetivamente à detecção da glicose. / Research in the area of glucose biosensors has grown tremendously in recent years due to their great importance in continuous glucose monitoring in patients with diabetes. The study of the use of new materials in these devices, such as conductive polymers and gold nanoparticles, has been the subject of extensive research. In this work, polyaniline (PAni), one of the most studied conductive polymers, was chemically synthesized in the presence of polyethylene oxide (PEO) and also in the presence of PEO and chloroauric acid (HAuCl4) for the formation of gold nanoparticles (AuNP). These nanocomposites were used in the manufacture of an efficient glucose biosensor, serving as support for the immobilization of the enzyme glucose oxidase (GOx) and as electron transport facilitators. The polymers were characterized by Fourier transform infrared (FT-IR), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), UV-visible spectroscopy, cyclic voltammetry and standard 4-point pobe method. For the production of the biosensors, parameters such as the amount of polymer to be applied on the electrodes, the concentration of GOx, the electrolyte’s pH of the electrochemical tests and the amount of mediator in the electrolyte were previously evaluated by cyclic voltammetry to find the maximum electrochemical response of the biosensor. In addition to the cyclic voltammetry tests, the biosensors were characterized by electrochemical impedance spectroscopy and chronoamperometry. Through the chronoamperometry assays, it was verified that PAni-PEO biosensor detected glucose in a range of 1 to 10 mM, with a sensitivity of 16,04 μA mM-1 cm-2 and PAni-PEO-NPAu biosensor, in the range of 0,1 to 5,5 mM, with sensitivity of 5,5 and 0,76 μA mM-1 cm-2 in the 0,1 to 0,5 and 1,5 to 5,5 mM ranges, respectively. In addition, both biosensors presented selectivity to interferents such as ascorbic acid and uric acid, confirming that the signal generated in the electrochemical tests effectively refers to the detection of glucose.

A pesquisa na área de biossensores de glicose tem crescido muito nos últimos anos, devido a sua grande importância no monitoramento contínuo da glicemia em pessoas com diabetes. O estudo da utilização de novos materiais nestes dispositivos, como os polímeros condutores e nanopartículas de ouro, tem sido alvo de extensas pesquisas. Neste trabalho, a polianilina (PAni), um dos polímeros condutores mais estudados, foi sintetizada quimicamente na presença de poli(óxido de etileno) (PEO) e também na presença de PEO e de ácido cloroáurico (HAuCl4), para a formação de nanopartículas de ouro (NPAu). Estes nanocompósitos foram utilizados na fabricação de um biossensor eficiente para glicose, servindo de suporte para a imobilização da enzima glicose oxidase (GOx) e de facilitadores do transporte de elétrons. Os polímeros foram caracterizados por infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), microscopia eletrônica de transmissão (MET), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia UV-visível, voltametria cíclica e pelo método padrão de 4 pontas. Para a produção dos biossensores, parâmetros como a quantidade de polímero a ser aplicada sobre os eletrodos, a concentração da GOx, o pH do eletrólito de realização dos ensaios eletroquímicos e a quantidade de mediador no eletrólito, foram avaliadas previamente por voltametria cíclica, a fim de encontrar a máxima resposta eletroquímica do biossensor. Além dos ensaios de voltametria cíclica, os biossensores foram caracterizados por espectroscopia de impedância eletroquímica e por cronoamperometria. Através dos ensaios de cronoamperometria foi verificado que o biossensor de PAni-PEO detecta glicose em uma faixa de concentrações de 1 a 10 mM, com sensibilidade de 16,04 μA mM-1 cm-2, e o de PAni-PEO-NPAu, na faixa de 0,1 a 5,5 mM, com sensibilidade de 5,5 e 0,76 μA mM-1 cm-2, nas faixas de concentração de 0,1 a 0,5 e de 1,5 a 5,5 mM, respectivamente. Além disso, ambos os biossensores apresentaram seletividade a interferentes como ácido ascórbico e ácido úrico, confirmando que o sinal gerado nos ensaios eletroquímicos refere-se efetivamente à detecção da glicose. / Research in the area of glucose biosensors has grown tremendously in recent years due to their great importance in continuous glucose monitoring in patients with diabetes. The study of the use of new materials in these devices, such as conductive polymers and gold nanoparticles, has been the subject of extensive research. In this work, polyaniline (PAni), one of the most studied conductive polymers, was chemically synthesized in the presence of polyethylene oxide (PEO) and also in the presence of PEO and chloroauric acid (HAuCl4) for the formation of gold nanoparticles (AuNP). These nanocomposites were used in the manufacture of an efficient glucose biosensor, serving as support for the immobilization of the enzyme glucose oxidase (GOx) and as electron transport facilitators. The polymers were characterized by Fourier transform infrared (FT-IR), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), UV-visible spectroscopy, cyclic voltammetry and standard 4-point pobe method. For the production of the biosensors, parameters such as the amount of polymer to be applied on the electrodes, the concentration of GOx, the electrolyte’s pH of the electrochemical tests and the amount of mediator in the electrolyte were previously evaluated by cyclic voltammetry to find the maximum electrochemical response of the biosensor. In addition to the cyclic voltammetry tests, the biosensors were characterized by electrochemical impedance spectroscopy and chronoamperometry. Through the chronoamperometry assays, it was verified that PAni-PEO biosensor detected glucose in a range of 1 to 10 mM, with a sensitivity of 16,04 μA mM-1 cm-2 and PAni-PEO-NPAu biosensor, in the range of 0,1 to 5,5 mM, with sensitivity of 5,5 and 0,76 μA mM-1 cm-2 in the 0,1 to 0,5 and 1,5 to 5,5 mM ranges, respectively. In addition, both biosensors presented selectivity to interferents such as ascorbic acid and uric acid, confirming that the signal generated in the electrochemical tests effectively refers to the detection of glucose.