Structured light beams, this is, beams whose phase changes from point to point in the transverse plane, provides with an alternative tool to search for new applications, or simply to expand the capabilities of current applications where commonly used light beams have encountered physical limitations. Applications can be found not only in the field of optics but also in areas as diverse as astrophysics, telecommunications and quantum computing, to mention some. In this thesis we put forward three new applications in which the use of structured light beams plays a crucial role. In the field of optical remote sensing, the Doppler effect is widely used to measure the component of the velocity along the line of sight, \textit{i.e.}, the longitudinal component. The Doppler effect alone, does not allow to measure the transverse component. In this context, structured light beams provides with a tool that makes this possible: its structured phase. The main idea resides in the fact that this beams, reflected from transversally moving targets, are frequency shifted proportional to the velocity of the target. The information of the velocity can be extracted using interferometric methods, in a similar way to the longitudinal Doppler shift. In a first experiment we validated this theoretical concept for two particular cases: rotation and longitudinal motions along the transverse plane of illumination. Some current existing techniques to measure small layer thicknesses are based on the use of common-pant interferometers. In particular the self-referencing type, in which both the reference and the signal beams are generated locally. A reflective surface is engineered in the form of a ridge or cliff, in such a way when illuminated with a Gaussian beam half of it is reflected from the top and the other half from the base. This two "new beams" acquire a phase difference that depends on the height of the ridge and the wavelength of the illuminating source. This phase variations are detected on-axis in the far filed as intensity changes. Hence, if we place a thick layer on top of the ridge, the change in intensity will immediately yield the height of the layer. This scheme becomes highly sensitive to small phase variations when the height of the ridge is $1/8$ of the wavelength, known as the quadrature condition. This restriction might unfortunately limit the use of this technique to specific cases, since it highly depends on the construction of the ridge. To overcome this drawback we proposed and demonstrated experimentally a technique in which the quadrature condition is not needed a priori. Our approach is based on the use of spatial mode projection. For its implementation, we project the light reflected from the sample onto appropriately tailored spatial modes. Finally, we investigated theoretically the role that light endowed with Orbital Angular Momentum (OAM) might play for the discrimination of chiral molecules. Traditionally, this discrimination has been always related to Circularly Polarized Light (CPL), this is, to the Spin angular momentum of light. In this approach, the chiral response of molecules only depends on the properties of the same, and in many cases is very small. An approach to enhance this response was proposed very recently, in which the electromagnetic field that illuminates the molecule is properly tailored, in such a way the chiral response depends on both the molecular properties and the electromagnetic field. These types of electromagnetic fields have been termed "chiral fields'' and are characterised through a quantity known as optical chirality (denoted as C). This quantity measures how contorted is the field at each point in space, the higher the value of C, the higher the chiral response. In our approach, we started from exact solutions to the Helmholtz equation. We found that a proper superposition of this two beams produces an on-axis, enhanced chiral response that can be several times larger. / Los haces estructurados, es decir, haces cuya fase difiere de un punto a otro en el plano transversal, representan una herramienta alternativa para buscar nuevas aplicaciones, o simplemente para expandir las capacidades de las aplicaciones existentes en donde los haces comúnmente utilizados han encontrado limitaciones físicas. En la actualidad podemos encontrar aplicaciones no solo en el campo de la óptica sino ambién en áreas tan diversa como astrofísica, telecomunicaciones y computación cuántica por mencionar algunas. En esta tesis, introducimos tres nuevas aplicaciones, en las cuales el uso the haces estructurados juega un papel crucial. En el campo de sensado remoto, el efecto Doppler es utilizado ampliamente para medir la componente de la velocidad a lo largo de la linea de visión, es decir, la componente longitudinal. El efecto Doppler por si solo, no permite medir la componente transversal. En este contexto, los haces estructurados proveen con una herramienta, su fase estructurada, mediante la cual se puede medir esta componente. La idea principal reside en el hecho de que la frecuencia de estos haces, cuando son reflejados de un objeto que se mueve trasversalmente, cambia de forma proporcional a la velocidad del objeto. La informacón de la velocidad puedes ser extraída utilizando métodos interferométricos, de forma similar al efecto Doppler longitudinal. En un primer experimento validamos este concepto teórico para dos casos particulares: rotación y translación longitudinal en el plano transversal al de iluminación. Por otro lado, algunas de las téecnicas que existen actualmente para medir grosores están basadas en el uso de interferómetros de camino óptico común. En particular los autoreferenciados, en los cuales tanto el haz de referencia como el que lleva la información son generados localmente. Una superficie reflectante con forma de acantilado es diseñada, de tal forma que cuando es iluminada con un haz Gaussiano, una mitad es reflejada en la base y la otra en la cima. Estos dos "nuevos haces'' adquieren una diferencia de fase que depende de la altura de del acantilado y de la longitud de onda del haz. Estas variaciones son detectadas en campo lejano a lo largo del eje de propagación como cambios de intensidad. De esta forma, si colocamos una capa delgada sobre del acantilado, el cambio en la intensidad nos dará inmediatamente el grosor de la capa. Este esquema es muy sensible a cambios pequeñoos de fase cuando la altura del acantilado es 1/8 de la longitud de onda, conocida como condición de cuadratura. Desafortunadamente, esta restricción puede limitar el uso de esta técnica a casos específicos, ya que depende en gran medida de la construcción apropiada del acantilado. Para solventar esta desventaja propusimos y demostramos experimentalmente una técnica en la cual la condición de cuadratura no es necesaria a priori. Nuestro metodo esta basado en la proyección espacial en modos. Para su implementación, proyectamos la luz reflejada por la muestra sobre modos espaciales diseñados apropiadamente. Finalmente, investigamos teóricamante el papel que los haces provistos con momento angular pueden desempeñar en la discriminación de moléculas quirales. Tradicionalmente, esta discriminación ha estado asociada a la luz circularmente polarizada, es decir, al momento angular espinorial. En esta aproximación, la respuesta chiral de las moléculas depende únicamente de las propiedades de la misma, que en muchos casos es muy pequeña. Una aproximación para incrementar esta respuesta conciste en el diseño apropiado del campo electromagnético que ilumina las moléculas, de esta forma la respuesta quiral depende no solo de las propiedades de la molécula sino también del campo electromagnético. Este tipo de campos electromagnèticos han sido denominados "campos quirales''. Nosotros abordamos el problema utilizando soluciones exactas a la ecuación de Helmholtz, los haces Bessel de orden superior.

Bio and nano technologies are absent or incipient in papermaking industry and, concretely, in recycling and high-yield pulps sectors. In this sense, the present Thesis uses cellulose nanofibers (CNF), both in bulk and on surface, for physicomechanical properties enhancement of both recycled papers and of those made from high-yield fibers. Moreover, in order to reach even higher physicomechanical properties, the synergetic action between CNF and enzymatic refining was investigated. Recycling through mechanical refinement was found to produce papers with similar properties than the original ones, without the possibility of enhancement. However, the above cited combination drives to papers with properties that can be used in higher performance applications. / L’aplicació de la bio i la nano tecnologia en el sector paperer en general i, més concretament, en el subsector del reciclatge i les pastes d’alt rendiment és pràcticament inexistent o molt incipient. En aquest sentit, en aquesta tesi s’utilitzen nanofibres de cel·lulosa (CNF), tant en massa com en superfície, per tal d’incrementar les propietats físico-mecàniques del paper de fibres secundàries i d’alt rendiment. A més, amb l’objectiu d’assolir fins i tot propietats físico-mecàniques superiors, es van utilitzar tècniques de refinat enzimàtic en combinació amb l’addició de CNF. Es va constatar que el refinat mecànic de les fibres secundàries permet la fabricació de papers amb les mateixes prestacions físico-mecàniques que el paper original, sense la possibilitat d’incrementar les propietats. D’altra banda, l’addició de CNF i el refinat enzimàtic doten als papers de propietats que els obren les portes a nous horitzons d’aplicació on els requeriments físico-mecànics són superiors.

El objetivo general de este trabajo ha sido el de obtener muestras superconductoras de alta temperatura de YBCO cuyas geometrías y dimensiones superen a las obtenidas mediante técnicas de crecimiento cristalino. Estos materiales pueden ser integrados en maquinaria eléctrica, sistemas de levitación o limitadores de corriente. Este objetivo ha promovido la investigación hacia métodos que permiten unir dos o más monodominios del material superconductor de alta temperatura YBCO mediante un proceso de solidificación por fundido utilizando agentes soldantes cuyos puntos de fusión están por debajo del punto de fusión del material que se quiere unir, el YBCOEl primer paso en obtener soldaduras superconductoras de alta temperatura del material YBCO ha sido el de conseguir un agente soldante apropiado. Hemos investigado dos materiales basados en plata como agentes soldantes: polvo de óxido de plata y una lamina de plata metálica. Análisis microestructural, junto con medidas de magnetorresistencia y magnetometria Hall se han realizado con el fin de encontrar las condiciones óptimas para conseguir soldaduras superconductoras de alta temperatura de alta calidad.Para entender el proceso de difusión de la plata en la matriz YBCO, se ha realizado un detallado estudio de la influencia de los parámetros del proceso de la soldadura en la microestructura y las propiedades físicas de las uniones superconductoras, es decir la magnetización remanente y la densidad de corriente critica, generadas mediante este método. Se ha demostrado que estos parámetros influyen tanto en la microestructura como en las propiedades superconductoras de las uniones artificiales. Para optimizar estos parámetros se han realizado dos tipos de experimentos: enfriamiento muy rápido y crecimiento mediante enfriamiento lento. Utilizando los experimentos de enfriamiento muy rápido hemos conseguido determinar cuales son los parámetros que controlan la difusión de la plata en la matriz del material YBCO. Se ha demostrado que parámetros como: tiempo del fundido, el grosor de la lámina de plata y la configuración de la soldadura son relevenates y han sido optimizados. Por otro lado, la influencia de parámetros como: la velocidad de enfriamiento, temperatura máxima del proceso de la soldadura y la ventana de temperaturas en la microestructura de las uniones artificiales se han analizado mediante experimentos de enfriamiento lento.La influencia de estos parámetros en las propiedades superconductoras de las soldaduras se ha estudiado a través de medidas de magnetización remanente de las uniones y del material YBCO, a la vez para su comparación. La distribución de la magnetización remanente ha sido investigada utilizando magnetometria Hall. Estas medidas nos han permitido deducir la magnitud de la densidad de corriente crítica resolviendo el problema inverso (ley Biot-Savart). Utilizando la metodología desarrollada en este trabajo hemos conseguido obtener uniones artificiales del material YBCO cuyas microestructuras y propiedades superconductoras tienen una calidad similar a las del material inicial YBCO y por lo tanto se ha desarrollado una metodología que permitirá obtener ceramicas superconductoras con dimensiones mayores y formas complejas. / The final goal of this PhD thesis was to obtain YBa2Cu3O7- (YBCO) samples with different geometries and bigger dimensions than those obtained by the crystalline growth techniques. These materials can be integrated in electrical machinery, levitating devices or fault current limiter systems. This need has driven the investigation to welding techniques that can joint two or more YBa2Cu3O7- single-domains by a solidification process using welding agents whose melting points are below the melting point of YBa2Cu3O7- material. The first step in achieving high temperature superconducting YBCO joints was to find a suitable welding material. We have investigated two Ag based materials as welding agents: Ag2O powder and Ag thin foil. Microstructural analysis along with magnetoresistance and in-field Hall mapping measurements have been performed to find the conditions to reach a high quality superconducting joints. A deep study of the influence of different parameters on the microstructure and on the superconducting properties of the final joints, i.e. remanent magnetization and critical current density of the final joints, generated using a YBCO/Ag/YBCO architecture has been performed in order to understand the role of the Ag diffusion and to optimize the welding process. It has been shown that these parameters influence in one way or another the microstructure and superconducting properties of the final joints. In order to optimize these parameters, we have performed two kinds of experiments: quench experiments and slow cooling experiments. By quench experiments we have succeed in controlling the Ag diffusion process into the YBCO matrix. Parameters such as: melting time, Ag foil thickness and weld configuration have been investigated and optimized. On the other hand, the influence of parameters such as: cooling rate, processing temperature and window temperature, on the microstructure of the final joints has been analyzed by slow cooling experiments. The influence of welding parameters on the superconducting properties of the final joints has been studied by determining the remanent magnetization profiles of each sample and calculating from them the critical current density of the joints and YBCO grains for comparison. The remanent magnetization distribution on samples joint by the welding process was investigated by using a Hall probe imaging system. These measurements allowed us to deduce the magnitude of the critical current densities by solving the inverse problem, as well as the homogeneity and spatial scale on which they flow. We have proposed a methodology in order to determine the critical current density from the results obtained after solving the inverse problem. We have observed that the current distribution pattern obtained from this methodology agrees well with current distribution profile predicted by Bean model.In summary, by employing the new welding methodology developed in the present work, we have been able to obtain YBCO superconducting joints having a clean and crystallographic coincident microstructure and with critical current densities through the joint similar to those of the YBCO monoliths.

Biopolymers are polymers produced by living organisms. A more broad classification would embrace also those polymers synthesized from renewable sources which are able to display biodegradability. The demand of biopolymers has been continuously growing along these last decades. The main reason for such increasing interest is their sustainability; the renewable origin of biopolymers makes them inexhaustible in contrast with synthetic polymers produced from finite fossil sources. Biodegradability is a second advantage; due to the presence in the nature of enzymes able to degrade biopolymers under environmental conditions to give non-toxic products, their impact on the environment is basically trivial. Finally, the use of more or less modified biopolymers as biomaterials, owing to their unique properties of biocompatibility and biodegradability, has aroused their interest in several disciplines. As a result of all these considerations, great efforts in biopolymers research including chemical modification, characterization and property evaluation are today being carried out to develop new materials able to replace traditional plastics in a wide diversity of applications. In the present Thesis, a selection of carboxylic biopolymers has been studied for their capacity to form stable ionic complexes with cationic surfactants suitable to render new materials with advanced properties. Previous studies on polyelectrolytesurfactant complexes carried out in our group have demonstrated that these coupled systems tend to be self-assembled in well-ordered structures that can be exploited for building films and particles with singular properties as biomaterials. The main goal of this Thesis is the study of polyelectrolyte-ionic complexes based on naturally occurring polyacids and cationic surfactants. One part of the work delves into the complexes of poly(g-glutamic acid), a system that has been object of continuous research in our group from 90s. The aim is to progress in the development by making them "greener" through coupling with bio-based surfactants, and by improving their basic properties through blending with nanoclays. The other part is dedicated to explore the ionic complexes made from poly(uronic acid)s and cationic surfactants. This is the first time that such complexes are examined and their structural features and properties compared to those displayed by complexes based on poly(glutamic acid). Experimentally, the Thesis embodies a multidisciplinary task work including preparation, structural characterization and evaluation of thermal properties of a series of ionic complexes, as well as a preliminary valuation of the suitability of some of them to be used as drug delivery systems. Hence, the specific objectives in this Thesis are enumerated as follows: 1. Synthesis and chemical characterization of ionic complexes of poly(uronic acid)s (pectinic, alginic and hyaluronic acids), with trimethylalkylammonium surfactants of n= 18, 20 and 22. Structural and thermal analysis of these complexes and critical comparison of results with those available for complexes made of poly(glutamic acid). 2. Synthesis and characterization of choline-based surfactants for the preparation of fully bio-based polyglutamic complexes as an alternative to complexes based on trimethylalkylammonium surfactants in their potential use as biomaterials. Structural and thermal analysis of these complexes and their preliminary evaluation as nano-particulated drug delivery systems. 3. Preparation of composites of poly(glutamic acid)-cationic surfactant complexes with organo-modified nanoclays, their extensive structural characterization and the evaluation of their thermal and mechanical properties compared to those displayed by the neat complexes. The Thesis is organized in five Chapters. After a very brief summary of the whole work with explicit definition of the objectives, Chapter I is an introduction to the subject, in which an extensively referenced account of the main hints previously achieved in the field is provided and the state-of-art is described. The following three Chapters correspond to the three specific objectives enumerated above. Chapter II gathers the synthesis, characterization and properties evaluation study carried out on ionic complexes of poly(uronic acid)s. Chapter III is focused on the study of ionic complexes of polyglutamic and alkanoylcholines, the synthesis and characterization of the surfactants, the preparation of their complexes with poly(glutamic acid) and their possibilities as potential biomaterials. Chapter IV covers the preparation of the composites made of Cloisite 30B and poly(glutamic acid) complexes along with a detailed study of their structure by X-ray diffraction, electron microscopy and modeling, and a correlative analysis of their structure with their thermal and mechanical properties. Chapter V contains the whole collection of conclusions that have been drawn from the Thesis. The author’s profile and published scientific production coming out from the Thesis constitute the body of the closing part.

Durante las últimas décadas la construcción de dispositivos basados en materiales moleculares funcionales se ha convertido en uno de los principales objetivos para la ciencia de los materiales. Aunque las propiedades fundamentales de dichos materiales (electrónicas, magnéticas, ópticas, mecánicas, etc) vienen determinadas por las propiedades de sus constituyentes moleculares, la funcionalidad final de dichos dispositivos vendrá determinada en gran medida por las diferentes técnicas de procesado y estructuración empleadas durante su construcción. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis se centra en el uso de diferentes técnicas de procesado y estructuración de compuestos con actividad medioambiental y biomédica para el desarrollo de nuevos materiales funcionales. Los metales pesados, y especialmente el mercurio, son especies altamente tóxicas cuya presencia, debida a causas tanto naturales como antropogénicas, se ha visto incrementada de forma global generando una situación de riesgo no solo para el medio ambiente sino también para el ser humano. Así pues, el desarrollo de nuevos sensores capaces de llevar a cabo la detección sensible y selectiva de iones Hg(II) disuelto en medio acuoso supone un desafío para la ciencia actual. La primera parte de esta tesis doctoral se ha basado en el procesado y nano-estructuración de dos compuestos orgánicos (1 y 2) derivados del 2,3-diaza-1,3-butadieno capaces de llevar a cabo la detección selectiva de iones Hg(II) mediante métodos ópticos. Como resultado se han obtenido diversos sistemas heterogeneos capaces de detectar la presencia dichos iones en medios acuosos. El primero de ellos, basado en un proceso de fisisorción de los indicadores previamente descritos sobre una membrana de celulosa, dio como resultado el desarrollo de sondas sensoras de un solo uso y bajo coste para la detección de Hg(II). Dichas sondas fueron preparadas siguiendo dos técnicas de estructuración diferentes. La más intuitiva de las cuales, que denominamos "técnica de revelado", se basó en el uso de un receptor orgánico sensible a la presencia de iones Hg(II) como agente revelador de una membrana de celulosa previamente impregnada con la muestra contaminada. Aunque los resultados obtenidos usando el receptor colorimétrico 1 como agente de revelado mostraban buena selectividad y reproducibilidad, la sensibilidad de dicho sistema frente a los iones Hg(II) se pudo establecer en la decenas de ppm, lejos de las unidades de ppb establecidas por la Unión Europea (EU) y la Agencia de Protección Medioambiental Estadounidense (EPA) como máximo para la presencia de iones Hg(II) en agua potable. Sin embargo este proceso sirvió como una prueba de concepto para el desarrollo de sondas sensoras basadas en el uso de materiales baratos y renovables como la celulosa para la detección de contaminantes. El otro proceso de estructuración empleado involucra la producción y deposición de nanoparticulas de los receptores orgánicos 1 y 2 sobre la superficie de membranas nanoporosas de celulosa. La obtención de estas membranas híbridas supuso un importante incremento en la sensibilidad de las sondas obtenidas alcanzando (con aquellas basadas en el uso del receptor 2) los niveles de detección exigidos por la EU y la EPA (ppb de Hg(II)). En una segunda aproximación se llevó a cabo el anclaje químico de los receptores 3 y 4 sobre la superficie de un substrato sólido para la obtención de un sensor de Hg(II) de alto rendimiento. En este caso llevamos a cabo el desarrollo de un sensor basado en la resonancia superficial de plasmón (SPR) capaz de detectar la presencia de picomoles de iones Hg(II) en medios acuosos. El diseño racional de los receptores (3 y 4) se llevó a cabo para optimizar la sensibilidad, selectividad y fiabilidad del sensor, lo cual nos permitió mejorar los parámetros establecidos por la EPA y la EU en tres ordenes de magnitud. El creciente desarrollo de la medicina regenerativa en general y la regeneración de tejidos en particular ha traído consigo una enorme mejora de la calidad de vida para decenas de miles de personas por todo el mundo. Aunque la mayoría de los biomateriales usados hoy en día presentan la estructura y resistencia adecuada para ser usados en medicina regenerativa, la interacción de dichos materiales con el entorno biológico no se controla de forma completa aun, lo cual genera, en algunos casos, efectos secundarios indeseados. El trabajo desarrollado en esta segunda parte de la tesis se centra en el estudio, caracterización y procesado de un nuevo tipo de material proteinaceo nano-particulado conocido como cuerpos de inclusión (IBs). La primera parte de esta investigación se centró en la caracterización nanoscópica de las propiedades fisico-químicas y estructurales de esta nueva familia de agregados, conocidos como IBs. Así pues, IBs provenientes de diferente trasfondo genético fueron caracterizados mediante diferentes técnicas como la dispersión dinámica de luz (DLS) la microscopia de fuerza atómica (AFM) o el ángulo de contacto (CA). Los resultados obtenidos indicaron que los IBs producidos en ausencia de diferentes elementos de la maquinaria de control de shock térmico celular (genes de la DnaK, ClpA y ClpP) exhiben una diferente distribución de tamaños, y propiedades fisico-químicas. De esta manera es posible concluir que existe una relación directa entre la conformación de las proteínas recombinantes que forman los IBs y sus propiedades. Una distribución aleatoria de IBs con diferente trasfondo genético se usó para decorar una serie de superficies químicamente modificadas con grupos amino, las cuales fueron sometidas a diferentes ensayos de proliferación celular obteniendo diferentes resultados según el origen genético de los IBs empleados. Dicho experimento probó que es posible utilizar los IBs para modificar las superficies de los materiales con objeto de obtener diferentes comportamientos de proliferación celular, expandiendo el posible uso de dichos materiales para aplicaciones en regeneración de tejidos. / During the last decades the construction of devices based on molecular functional materials with specific properties has become one of the major objectives of materials scientists, since they can offer new and exciting functionalities to the present human activities. Although their basic properties will be guided by the fundamental -electronic, magnetic, optical, mechanical, etc- properties of their molecular constituent units, the final functionality of a device will depend, in a major way, on the processing and structuring techniques used during its construction. In this context, the main objective of this Thesis has been the use of different processing and structuring techniques for the development of new functional materials based on already tested environmentally and biologically active compounds. Among all the environmentally hazardous substances present in our environment, heavy metal ions, and specially mercury, are highly toxic elements which contamination, due to both natural and anthropogenic reasons, has become severe in some parts of the world, resulting in health damage to their inhabitants. Therefore, the developing of new sensors able to detect selectively and sensitively Hg2+ on aqueous media is still an actual challenge. In this work we present two 1,4-disubstituted-2,3-diaza-1,3-butadiene derivatives (1 and 2) able to selectively perform optical detection of Hg2+ in aqueous media, that combined with different nanostructuring and anchoring techniques allowed us to obtain highly sensitive solid-supported mercury detection systems. The first of them is based on the physisorption of the diaza butadiene indicators on porous cellulose membranes obtaining indicator coated probes that could be used as new cheap and reliable Hg2+ sensing systems. In order to do that, two different structuring techniques have been used. The most intuitive one, which we have named “developing technique”, is founded on the use of the optically active Hg2+ organic receptor 1 as a Hg2+ developing agent of a cellulose substrate, previously impregnated with the contaminated solution. Although Hg2+ detection tests performed using this colorimetric chemosensing probes, based on receptor 1, showed good selectivity and reproducibility, they presented a limited sensitivity vs. Hg2+. The detection limit of the probes was set on tens of ppm (10−2g/l), far away from the 1 ppb (μg/l) fixed by the European Union (EU) and the North American Environmental Protection Agency (EPA) as the maximum amount of Hg2+ allowed in drinkable water. Nevertheless, this procedure served as a prove of concept for the developing of probes based on the use of cheap and renewable materials to be applied on the in situ detection of contaminants. The other structuring technique used is based on a new physisorption procedure, involving the production and deposition of nanoparticles of the organic sensing molecules on nanoporous cellulose membranes for the fabrication of hybrid membranes. In this case, excellent Hg2+ detection results showing a high Hg2+ sensitivity and selectivity were obtained for the receptor 2 based cellulose probes. In contrast to the previous case, the detection limit obtained matched the EU and EPA requirements for drinkable water, reaching the level of ppb (μg/l). On a second approach the covalent bonding was used as a driving force for the receptor anchoring onto a solid substrate. In this case we developed a surface plasmon resonance (SPR) sensor able to perform picomolar detection of Hg2+ on aqueous systems. The rational design of the Hg2+ receptors (3 and 4) optimizes the sensitivity and reliability of the sensor allowing us to selectively detect, in presence of other divalent cations, Hg2+ concentrations on aqueous systems on the picomolar range, meliorating on three orders of magnitude the EU and EPA Hg2+ detection limit on drinkable water. As contamination control and pollutant removal, regenerative medicine in general and particularly in tissue engineering (TE) has the enormous potential of improving the quality of life for many thousands of people throughout the world. Although most of the more commonly used biomaterials match all the structural and mechanical resistance requirements to be applied in regenerative medicine, the interaction of such materials with the surrounding biological media is still not well controlled, leading to undesired immunological responses such as infections or uncontrolled inflammation in some cases. The work developed on the second part of this thesis has been focused on the study, characterization and processing of a new kind of proteinaceous nanoparticulate biomaterial, known as inclusion bodies (IBs), as a promising additive for cell proliferation enhancement. The first part of the research regarding the processing and structuring of biologically active materials is centered on the characterization of the nanoscale, physicochemical and structural properties of a novel family of proteinaceous aggregates known as “inclusion bodies” (IBs). Thus, IBs coming from different genetic backgrounds have been characterized by means of light dispersion and surface analysis techniques, such as dynamic light scattering (DLS), atomic force microscopy (AFM) or contact angle (CA). Results obtained indicated that IBs produced in absence of different elements of the cellular heat shock machinery (DnaK, ClpA, and ClpP genes) exhibit a range of sizes, wettability and stiffness values, that let us conclude the existence of a direct relationship between the conformation status of the recombinant proteins inside the IBs and their physicochemical and structural properties. Randomly distributed IBs, from different genetic backgrounds, were used to decorate amine terminated silicon surfaces. It was possible to observe how cultured mammalian cells respond differentially to IB variants when used as particulate materials to engineer the physicochemical surface properties, proving that the actual range of referred mechanical as well as other physicochemical properties is sensed and discriminated by biological systems. To further prove the validity of IBs as stimulator of cell proliferation, microstructuring of the IBs onto the same substrate was performed using the Microcontact Printing (μCP) technique. The obtained results confirmed again the ability of IBs to stimulate cell proliferation on surfaces initially not suitable for cell growth. Therefore, it is possible to conclude that the tuning opportunities offered through adjusting the genetic background of the cell where the IBs are produced, definitively expands the spectrum of biomedical applications of this novel bacterial nanomaterial.

100 años después de que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubriera que el mercurio tiene una resistencia eléctrica igual a cero, cuando se enfría en el helio líquido, los superconductores son lanzados finalmente para su uso en las redes eléctricas. Los cables superconductores pueden transportar diez veces más energía que el mismo volumen de los cables convencionales de cobre. Aunque parte de esta energía se pierde (pérdidas de corriente alterna) y se necesita usar el nitrógeno líquido para enfriar los cables superconductores y otros dispositivos, tales sistemas de energía son mucho más eficientes que las basadas en cableado de cobre, donde las pérdidas de potencia, alrededor de 7-10%, son en forma de calor. Debido a esto, países como EE.UU., Japón, Corea del Sur, China y Europa han establecido objetivos para las redes "verdes" de electricidad, reduciendo la generación de gases de efecto invernadero (CO2) y construyendo "redes inteligentes" basadas en superconductores más eficientes y robustos. Los cables superconductores de alta temperatura están hechos de un óxido de itrio, bario, cobre (YBCO) que forma parte de la familia de las cerámicas superconductoras de “alta temperatura”, descubiertas por primera vez en 1986. Las perspectivas atractivas ofrecidas por los conductores recubiertos (Coated Conductors), conocidos como la 2 ª generación de superconductores de alta temperatura (2G-HTS), han dado lugar a amplios y fructíferos esfuerzos de investigación y desarrollo para que estos sean preparados para el mercado [2]. Recientemente, LS Cable, una compañía de Corea del Sur con sede en Anyang-si, cerca de Seúl, ha ordenado tres millones de metros de cable superconductor de la firma American Superconductor desde EE.UU., en Devens, Massachusetts, que es el más alto pedido comercial de HTS CC hasta el momento [1] . Los superconductores de alta temperatura (HTS) tienen un enorme potencial para mejorar significativamente los sistemas de energía existentes, tales como cables, motores, transformadores, imanes y generadores, debido a que se puede alcanzar una mayor densidad de energía y se pueden reducir las pérdidas, comparado con los cables de cobre o cables superconductores de baja temperatura [3]. Los materiales superconductores abren tecnologías completamente nuevas en el sector de la energía, tales como limitadores de corriente o de levitación magnética inherentemente estable. Como ejemplos de aplicaciones innovadoras, deben ser mencionados sistemas avanzados de energía para barcos "all-electrical", molinos de viento en la costa y sistemas de transporte. Aunque la investigación sobre materiales HTS ha tenido mucho éxito en el pasado, el desarrollo de materiales superconductores de bajo coste sigue siendo un factor clave de éxito y, a fin de traer estos materiales emergentes en el mercado en un plazo razonable, requiere una investigación de materiales mucho más básica y aplicada. El objetivo principal de esta tesis, es el desarrollo de nuevas arquitecturas simplificadas nanoestructuradas de Coated Conductors, basadas en la deposición de soluciones químicas (CSD). Para ello, el crecimiento y la caracterización de estos Coated Conductors, se ha investigado primero sobre monocristales de YSZ, donde el CeO2 se puede crecer fácilmente como tapa tampón. El conocimiento generado puede ser útil para dos tipos de sustratos metálicos: 1.- sustratos Ni5%W RABiTS con MODLZO como capa tampón; 2.- sustratos policristalinos de Stainless Steel (SS) con ABADYSZ como capa tampón. Teniendo en cuenta la calidad de los sustratos metálicos existentes, esta tesis se ha concentrado en los sustratos policristalinos de Stainless Steel (SS), enviados por la empresa alemana Bruker HTS. El primer paso para obtener arquitecturas simplificadas fue la investigación del oxido de cerio dopado con Gd y Zr que mejor se adapta a los sustratos mencionados. El segundo paso consistió en crecer películas delgadas superconductoras de YBa2Cu3O7-x, con la ruta de los trifluoracetatos. Este trabajo comienza con una breve descripción de la superconductividad, seguido por una breve introducción sobre el compuesto superconductor YBCO y termina con los principales métodos para la obtención de películas de YBCO texturadas de alta calidad. Una caracterización completa de las muestras con diversas técnicas (Microscopía de fuerza atómica (AFM), Difracción de rayos X (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), Difracción de electrones rasantes (RHEED), Deposición con láser pulsado (PLD), SQUID, Reflectividad de rayos X (XRR) y medidas eléctricas de transporte) es necesaria para comprender el mecanismo complejo de cada superconductor y las interacciones entre las diferentes capas. Han sido investigadas varias películas de óxido de cerio dopado usado como capa tampón superior, preparadas por spin coating. Los requisitos técnicos para obtener Coated Conductors de alta calidad son muy diversos. Para lograr una epitaxia de alta calidad y alta Jc, es necesario llevar a cabo una detallada caracterización morfológica y estructural por medio de SEM y DRX. La microestructura de la capa de YBCO debe estar estrechamente correlacionada con la de la capa tampón. Para estudiar más en detalle las propiedades superconductoras, se han realizado medidas inductivas y de transporte para examinar el flujo de corriente en las películas de YBCO depositadas sobre distintos sustratos. Los resultados obtenidos con las capas de CeO2 crecidas sobre ABADYSZ/SS han sido reportados. La última parte de esta tesis está dedicada al desarrollo de películas delgadas de materiales nanocompuestos de MODBaZrO3-YBa2Cu3O7-x y MODBaCeO3-YBa2Cu3O7-x usando el método químico in-situ. El zirconato de bario (BZO) es el material más atractivo para inducir centros de pinning artificiales en las películas delgadas de YBCO, con el fin de aumentar la densidad de corriente crítica. Una caracterización detallada de los nanocompuestos de BaZrO3 (BZO) crecidos por MOD será presentada a través del SEM, XRD y TEM. Referencias [1] Joseph Milton, "Superconductors come of age," Nature (2010). [2] C. Freyhardt Herbert and et al., "Coated conductors and their applications," Superconductor Science and Technology 23 (1), 010201 (2010). [3] "Nespa - NanoEngineered Superconductors for Power Applications," http://www.ifw-dresden.de/nespa. / 100 years after Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes found that mercury has an electrical resistance of zero when cooled in liquid helium, superconductors are finally being rolled out for use in electricity grids. Superconductive wiring carries about ten times as much power as the same volume of conventional copper wiring. Although some of that power is lost (ac losses) and liquid nitrogen must be used to keep cool the superconducting cables or other devices, such power systems are still more efficient than those based on copper wiring, which losses 7-10% of the power it carries as heat. Because of this, several countries, such as USA, Japan, South Korea, China and Europe have established objectives for 'green' electricity networks reducing the greenhouse gas generation (CO2) and build more efficient and robust 'smart grids' based on the superconductors. The high temperature superconducting wires are made based on the ceramic compound yttrium barium copper oxide (YBCO), part of a family of 'high-temperature' superconducting ceramics that were first discovered in 1986. The attractive perspectives offered by coated conductors, known as the 2nd generation of high temperature superconductors (2G-HTS), have triggered broad and fruitful R&D efforts to make them ready for the market place [2]. Recently, LS Cable, a South Korean company based in Anyang-si near Seoul, has ordered three million meters of superconducting wire from the US firm American Superconductor in Devens, Massachusetts, which is the highest commercial order so far of HTS CC [1]. High Temperature Superconductors (HTS) have an enormous potential for significantly improving existing power systems, such as cables, motors, transformers, magnets and generators, because higher power densities and reduced losses can be achieved by replacing copper or low temperature superconductor wires [3]. Superconducting materials will also enable completely new technologies in the power sector, such as fault current limiters or inherently stable magnetic levitation. As examples for innovative applications, advanced energy systems for “all-electrical” ships, off-shore windmills and transportation systems should be mentioned. Although research on the materials aspects of HTS has been highly successful in the past, the development of low cost - high performance HTS materials remains a key factor of success and, in order to bring these emerging materials onto the market in a reasonable time frame, requires significantly more basic and applied materials research. The main objective of this thesis is to develop new simplified nanostructured Coated Conductors architectures based on Chemical Solution Deposition (CSD). For that, the growth and characterization of these Coated Conductors was investigated first on YSZ single crystals where CeO2-derived cap layer can be easily grown. The knowledge generated can be useful for two types of metallic substrates: 1.- MODLZO buffered Ni5%W RABiTS substrates; 2.- ABADYSZ buffered Stainless Steel (SS) polycrystalline substrates. Taking into account the quality of the existing metallic substrates, this thesis has been concentrated on ABADYSZ/SS substrates, provided by Bruker HTS, Germany. The first step for achieving simplified architectures was the investigation of Gd,Zr doped CeO2 which better adapts to the mentioned substrates. The second step consisted in growing YBa2Cu3O7-x superconducting films using the trifluoracetates route. This work starts with a brief description of the superconductivity, followed by a short introduction about the superconductive compound YBCO and ends with the principal methods for obtaining high quality textured YBCO films. A complete characterization of the samples with various techniques (Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Reflection High-Energy Electron Diffraction (RHEED), Pulsed Laser Deposition (PLD), SQUID, X-ray reflectivity (XRR) and electrical transport measurements) is necessary in order to understand the complex mechanism of each superconductor and the interactions between different layers. Various doped cerium oxide thin films used as cap layer, prepared by spin coating were also investigated. The technical requirements for high quality Coated Conductors are very diverse. To achieve a high quality epitaxy and high Jc, it is necessary to perform a detailed morphological and structural characterization by means of SEM and XRD. This microstructure of the YBCO layer needs to be closely correlated with that of the cap layer. In order to study the superconducting properties in more detail, inductive and transport measurements have been performed to examine current flow in YBCO films deposited on different substrates. The results obtained with CeO2-derived cap layers grown on Alternating Beam Assisted Deposition (ABAD) substrates were also reported. Last part of this thesis is dedicated to the development of BaZrO3-YBa2Cu3O7-x and BaCeO3-YBa2Cu3O7-x nanocomposites thin films by MOD using the in-situ approach. Barium zirconate is the most attractive material to induce artificial pinning centers both in YBCO thin films, in order to increase the critical current density. Detailed characterization by SEM, XRD and TEM of BaZrO3 (BZO) nanocomposite grown by MOD will be presented. References [1] Joseph Milton, "Superconductors come of age," Nature (2010). [2] C. Freyhardt Herbert and et al., "Coated conductors and their applications," Superconductor Science and Technology 23 (1), 010201 (2010). [3] "Nespa - NanoEngineered Superconductors for Power Applications," http://www.ifw-dresden.de/nespa.

The main objective of this Thesis is to determinate the behaviour of the prestress effect of a fabric structure. On the understanding that the prestress of a fabric structure is a fundamental part of its stability and mechanical behavior that it must be preserved throughout its useful lifetime, it is necessary to obtain an overall view of its effects. To achieve that, the prestress study is done in its three possible levels of analysis: first, the predimensioning level, second, structural analysis and stress distribution, third, tension verification in pre-existing structures. Specifically in the Thesis is analysed one of the basic typologies of fabric structures, the paraboloid, of which the basic laws of behavior of the tensioning effect can be achieved and extrapolated to other geometries. The analysis is done from the study of computer models which are constructed from a particular basic geometry, upon this geometry are applied specific progressive geometric variations, tensioning and applied load. This succession of models generates a series of results that, connected them with each specific variation which allow to determine the affectation level of contribution of that parameter to the value and distribution of stress tension. To achieve these objectives it is necessary to establish the basic mechanical principles and structural behavior of tensioned fabric structure, as well as to describe the analysis process necessary for the realization of structural analysis. These precepts are exposed in Chapter 1 of the Thesis, establishing the knowledge base that will allow the development and analysis of the calculation models. This chapter also defines and makes a first analysis of the effect produced by different methods of tensioning, demonstrating that to obtain a tensioning distribution as much uniform as possible, it is necessary to carry out the prestress as uniformly as possible and stiffen the edge of the surface. Chapter 2 is divided in two blocks. The first one is where are made and analyzed a serie of conceptual models, starting from the simplest models of isolated bars and increasing its complexity until reaching membrane models, which allow a first approximation to the tensioned structure behavior. In the second block the boundaries of the defining parameters of the models are specified, to proceed with the creation of calculation models using a generation module of fabric parabolic geometries that has been developed for the Wintess program. The results of these models are summarized and classified in the third chapter, analyzing the evolution of the distribution and stress magnitude of tension for each parametric variation, demonstrating that tension distribution is not uniform , and better performance is obtained at higher curvatures. In Chapter Four, the minimum and maximum allowable values of prestress are determined, so it can be established criterions and formulations for prestress depending on the geometry of the paraboloid and external loads. Chapter 5 is dedicated to the evaluation of the tension state in executed structures, analyzing the existing evaluation methods of the stress, determining that depending on the type of tensile structure must be used ones or other methods, the most general methods are based on the relationship between the tension of the element and its fundamental vibration period. Finally, the sixth chapter is dedicated to the exposition of the conclusions achieved from the analysis and it is formulated the possible future research lines that will deepen on the knowledge of the behavior of prestress fabric structures. / El objetivo fundamental de esta Tesis es determinar el comportamiento del efecto del pretesado en una estructura textil laminar tensoestática. Entendiendo que el pretesado de una estructura textil es una parte fundamental de su estabilidad y comportamiento mecánico que se debe mantener durante toda su vida útil, es preciso obtener una visión global de sus efectos. Para obtenerla se realiza el estudio del pretesado en sus tres posibles niveles de análisis: el primero de predimensionado, el segundo de cálculo y distribución de esfuerzos y el tercero de verificación de tesado de estructuras ya realizadas. Concretamente en la Tesis se analiza una de las tipologías básicas de las estructuras textiles superficiales tesadas , el paraboloide, de la cual se extraerán las leyes básicas de comportamiento del efecto del tesado, de tal modo que se puedan extrapolar a otras geometrías. El análisis se realiza a partir del estudio de modelos de cálculo informáticos los cuales se construyen a partir de una geometría básica concreta sobre la cual se aplican progresivas variaciones geométricas, de tesado y de carga aplicada. Esta sucesión de modelos genera unas series de resultados que, relacionándolos con cada variación concreta, permiten determinar el nivel de afectación de ese parámetro al valor y distribución de la tensión de tesado. Para poder alcanzar estos objetivos es preciso establecer primeramente los principios mecánicos básicos y de comportamiento estructural de una estructura textil tensada, así como describir el proceso de cálculo necesario para la realización de los cálculos estructurales. Preceptos que se exponen en el Capítulo 1 de la Tesis, estableciendo la base de conocimiento que permitirá el desarrollo y análisis de los modelos de cálculo posteriores. En este capítulo también se define y realiza un primer análisis del efecto que producen los distintos métodos de introducción del tesado demostrándose que para obtener un tesado lo más homogéneo posible es preciso efectuar el pretesado del modo más uniforme posible y rigidizar el borde de la superficie. El Capítulo 2, se divide en dos bloques. En el primero se realizan y analizan una serie de modelos conceptuales , partiendo de los modelos más simples de barras aisladas e incrementando su complejidad hasta alcanzar los modelos de láminas, que permiten realizar una primera aproximación al comportamiento de una estructura tesada. En el segundo bloque se concretan los límites de los parámetros definitorios de los modelos que se analizaran, para proceder a la creación de los modelos de cálculo mediante un módulo de generación de geometrías parabólicas tesadas que se ha elaborado para el programa Wintess. Los resultados de estos distintos modelos de cálculo se resumen y clasifican en el tercer Capítulo, analizando la evolución de la distribución y magnitud de las tensiones de tesado para cada variación paramétrica, demostrándose que la distribución de tensado no es uniforme, y a mayores curvaturas presentes se obtiene un mejor comportamiento. En el Capítulo cuarto, se determinan los valores máximos y mínimos de pretesado admisibles pudiendo así determinar criterios y formulaciones de pretesado en función de la geometría del paraboloide y las cargas a soportar. El Capítulo 5 se dedica a la evaluación del tesado en estructuras ya ejecutadas, analizando los distintos métodos existentes de evaluación del tesado, determinando que en función del tipo de estructura tensada se deben emplear unos métodos u otros, siendo los más generalistas los basados en la relación existente entre el tesado y su período de vibración fundamental. Finalmente, el Capítulo sexto, se dedica a la exposición de las conclusiones obtenidas del análisis realizado y se formulan las posibles líneas futuras de investigación que permitirán profundizar en el conocimiento del comportamiento del pretesado en estructuras laminares tensoestáticas.

A partir dels anys seixanta, els vidres metàl·lics han estat objecte d'un gran número d'investigacions, des de llavors s'han realitzat avanços molt significatius en la comprensió de la seva estructura i algunes de les seves propietats. Com el seu nom indica, els vidres metàl·lics són aliatges metàl·lics que no presenten ordenament atòmic a llarg abast. Aquesta falta d'ordre els confereix propietats i comportaments considerablement diferents respecte als aliatges cristal·lins. Per exemple, es comporten generalment com materials magnètics tous (baixa coercitivitat i elevada permeabilitat) i s'han comercialitzat com a bases de transformadors, capçals de lectura magnètics i protectors magnètics [1]. A partir de certs tractaments tèrmics o d'altres tècniques, és possible controlar la seva total o parcial cristal·lització. En alguns casos, precipiten nanocristalls repartits uniformement obtenint un material magnètic dur amb aplicació industrial [2]. A part de les seves propietats magnètiques, s'ha demostrat que algunes de les seves propietats mecàniques difereixen significativament dels materials cristal·lins, ja que mostren un elevat límit elàstic, una elevada deformació en règim elàstic, deformació plàstica heterogènia i homogènia i també l'aparició de material fos en les superfícies de fractura [3,4].La combinació d'un elevat límit elàstic juntament amb la possibilitat d'obtenir vidres metàl·lics massissos ha obert un nou interès en la utilització d'aquests com a materials estructurals [5]. No obstant això, els vidres metàl·lics mostren una clara localització de la deformació plàstica en bandes de cisalla al ser deformats a temperatura ambient [6,7]. A més, en lloc d'experimentar enduriment per deformació, els vidres metàl·lics s'ablaneixen a causa de la formació de bandes de cisalla que a més impedeixen l'elongació estable del material quan és deformat en tensió. Així doncs, la millora de la ductilitat d'aquest tipus de materials s'ha convertit en l'objectiu de molts treballs d'investigació. Recentment, s'ha estudiat l'enduriment intrínsec dels vidres metàl·lics [8,9]. S'ha demostrat que existeix correlació entre l'energia de fractura i el quocient entre el mòdul de cisalla (G) i el mòdul de compressibilitat (B). En aquest estudi s'ha conclòs que una bona forma d'augmentar la plasticitat dels vidres metàl·lics és escollir els elements que constituiran l'aliatge amb baix G/B o el que és equivalent, elevat coeficient de Poisson. El considerable increment de ductilitat que acompanya l'aparició de múltiples bandes de cisalla, indica que la seva proliferació, independentment de com tingui lloc, hauria de ser un poderós mecanisme d'enduriment i ductilització en metalls amorfs [10]. Això obre clarament una oportunitat per a dissenyar microestructures que endureixin els vidres metàl·lics massissos a partir de diferents mètodes. Per exemple, s'ha vist que la presència d'una segona fase (amorfa o cristal·lina) amb propietats mecàniques diferents de la matriu promou la nucleació de múltiples bandes de cisalla, al mateix temps que impedeix la propagació de les mateixes. El resultat final és l'augment de la plasticitat d'aquests materials en compressió [11,12].Així doncs, en aquesta tesi s'han estudiat els fonaments de la deformació de diverses famílies de vidres metàl·lics i materials nanocomposats a partir d'assajos de compressió i nanoindentació. Els mecanismes de deformació elàstica, anelàstica i plàstica dels vidres metàl·lics influencien la resposta obtinguda en els experiments de nanoindentació de forma fonamental. Les observacions i la discussió realitzades en el treball presentat ajuden a diferenciar els tres mecanismes de deformació en les gràfiques obtingues en els experiències de nanoindentació realitzades.S'han estudiat els mecanismes de deformació de diferents materials nanocomposats:- A partir de vidres metàl·lics basats en Cu s'ha aconseguit la formació d'un aliatge de matriu amorfa amb una dispersió homogènia de cristalls de grandària nanomètrica. Així doncs, la cristal·lització, l'estabilitat tèrmica i les propietats mecàniques dels vidres Cu60ZrxTi40-x (x = 15, 20, 22, 25, 30) han estat estudiades. A partir dels coneixements obtinguts s'ha procedit a la obtenció d'un material nanocomposat provocant la cristal·lització primària dels vidres metàl·lics estudiats anteriorment. S'ha observat que la matriu amorfa domina les propietats mecàniques del compost, però que la precipitació d'una fase intermetàl·lica endureix l'aliatge.- S'han obtingut cintes en el sistema Ni58.5Nb20.25Y21.25 (at%) formades per dues fases amorfes, degut a la immiscibilitat que presenta el sistema Nb-Y tant en estat sòlid com en estat líquid. S'ha observat que la deformació plàstica d'aquest aliatge és clarament diferent al d'un vidre metàl·lic monolític. Així doncs, la seva plasticitat i duresa només es poden explicar degut a la interacció entre les bandes de cisalla formades en la matriu i la segona fase precipitada en forma globular.- S'ha dut a terme l'estudi de l'evolució microestructural i els mecanismes d'enduriment després de deformar plàsticament per torsió un aliatge basat en Ti format per una matriu eutèctica nanomètrica combinada amb dendrites de grandària micromètrica. Abans de la deformació plàstica, les dendrites són més dures que la matriu eutèctica ja que sofreixen un enduriment per solució sòlida. Després de la deformació, tant la matriu com les dendrites s'endureixen a diferent ritme fins arribar a la mateixa duresa en ambdues fases. Els mecanismes d'aquest enduriment són diferents a cada fase degut a la seva diferent naturalesa.Les investigacions realitzades durant la tesi han permès comprendre millor algunes de les rutes proposades per millorar les propietats mecàniques dels vidres metàl·lics, com ara el desenvolupament de nanocomposats o la separació en dues fases amorfes. La nanoindentació encara permet estudiar en molts casos la deformació dels vidres metàl·lics. Encara que els estudis de la deformació d'aquests materials utilitzant nanoindentació no són molt abundants, les avantatges d'aquesta tècnica s'han mostrat clarament en aquest treball, com per exemple en l'observació directe de l'enduriment de les diferents fases constituents d'un material nanocomposat. Per tant, els mecanismes subjacents que governen la deformació plàstica dels materials nanocomposats (per exemple per assajos de compressió o deformació plàstica severa) s'han pogut comprendre millor. A més a més, la utilització de tècniques complementàries, com la microscòpia electrònica tant de rastreig com de transmissió, ha aportat informació molt valuosa per investigar els mecanismes microscòpics que governen al deformació plàstica en els vidres metàl·lics i materials nanocomposats.Els mecanismes de deformació i les aplicacions dels vidres metàl·lics i materials nanocomposats són encara un camp actiu d'investigació. El treball presentat en aquesta tesi motivarà nous estudis en aquest camp científic, des dels punts de vista teòric i tecnològic. Així doncs, aquesta tesi ajudarà en la interpretació de fenòmens com l'efecte de grandària de la indentació, processos de relaxació, deformació cíclica i deformació durant la indentació de vidres metàl·lics. Finalment, cal dir que s'ha d'investigar molt més en aquests temes per tal d'optimitzar les propietats mecàniques dels vidres metàl·lics i així poder ser utilitzats en aplicacions tecnològiques.Referències:[1] Masumoto T, Egami T: Mater Sci Eng 1981; 48:147.[2] Croat JJ, Herbst JF, Lee RW, Pinkerton FE: J Appl Phys1984; 55:2078.[3] Pampillo CA, Polk DE: Acta Metall 1974; 22:741.[4] Masumoto T, Maddin R: Mater Sci Eng 1975; 19:1.[5] Hufnagel TC: On Mechanical Behavior of Metallic Glasses, Scripta Mater 2006; viewpoint nº37.[6] Spaepen F: Acta Metall 1977; 25:407.[7] Argon AS: Acta Metall 1979; 27:47.[8] Lewandowski JJ, Greer AL, Wang WH: Philos Mag Lett 2005; 85:77.[9] Xi XK, Zhao DQ, Pan MX, Wang WH, Wu Y, Lewandowski JJ: Phys Rev Lett 2005; 94:1255510.[10] Schroers J, Johnson WL: Phys Rev Lett 2004; 93:255506.[11] Hays CC, Kim CP, Johnson WL: Phys Rev Lett 2000; 84:2901.[12] Ott RT, Sansoz F, Molinari JF, Almer J, Ramesh KT, Hufnagel TC: Acta Mater 2005; 53:1883. / Metallic glasses have been the subject of widespread research over the past four decades with significant advancement in their understanding. As the name suggests, they are metallic alloys with no long-range order. The lack of long-range atomic order makes their properties and behaviour considerably different from those of crystalline alloys. For example, they typically behave as very soft magnetic materials (low coercitivity and high permeability) and have led to commercial applications such as transformer cores, magnetic read-heads and magnetic shielding [1]. By some specific treatments or techniques, it is possible to control the total or partial crystallization of metallic glasses. In some cases very fine, uniform microstructures have been exploited for their hard magnetism [2]. Furthermore, early work already pointed out that their mechanical behaviour showed unique properties, i.e. high strength, large elastic limit, homogeneous and inhomogeneous modes of deformation, and the novel "molten" appearance of fracture surfaces [3,4].The combination of their high yield strength together with the possibility of casting metallic glasses in bulk form has triggered the interest in using them as structural materials [5]. However, metallic glasses show a distinctive localization of the plastic deformation into shear bands when loaded under ambient conditions [6,7]. Instead of work-hardening, metallic glasses soften due to the shear band formation which prevents stable plastic elongation in tension. Therefore, enhancement of the ductility of this type of materials has been the aim of much research work.Recent works have studied the instrinsic toughening of metallic glasses [8,9]. The competition between flow and fracture relates the resistance to plastic deformation, proportional to G, to the resistance to dilatation that occurs in the region of a crack tip, which is proportional to B. The results of these works on metallic glasses indicate that exceeding a critical value of G/B (i.e. in the range of 0.41-0.43) produces an amorphous/annealed glass that approaches the ideal brittle behaviour associated with oxide glasses. Therefore, the correlation between fracture energy and elastic moduli indicates that the intrinsic toughness in metallic glasses may be enhanced by selection of elements with low G/B (or, equivalently, high Poisson ratio, ?) as constituents.The tremendous toughness increase that accompanies multiple shear banding indicates that proliferation of shear bands, regardless of how it is accomplished, should provide a powerful toughening mechanism in amorphous metals [10]. This clearly provides the opportunity for microstructural design of extrinsically toughened BMGs via a variety of techniques. The presence of a secondary phase (amorphous or crystalline) has been shown to promote multiple shear band nucleation sites via mismatch in various mechanical properties, while also providing barriers to shear band propagation. The result of the promotion of shear bands and hindering their propagation finally results in macroscopic compressive ductility [11,12].The fundamentals of deformation behaviour of several families of metallic glasses and composite materials have been investigated by means of compression tests and nanoindentation experiments. - The mechanisms of elastic, anelastic and plastic deformation of metallic glasses influence the response of the material during a nanoindentation test. The observed and discussed results on the deformation behaviour of a Pd-base BMG will help to differentiate the deformation mechanisms in the load-displacement curve obtained in an indentation test.The fundamentals of deformation behaviour in different composite materials have been studied:- Cu-based metallic glasses have been used to obtain a homogeneous dispersion of nanocrystalls in an amorphous matrix. Therefore, the crystallization behaviour, thermal stability and mechanical properties of Cu-Zr-Ti metallic glasses have been extensively studied. The influence of relaxation and the precipitation of secondary phases on the mechanical response of the studied alloys have been analysed. The precipitation of nanocrystals does not change the main deformation mechanism of these materials and therefore, shear bands form and propagate across the amorphous matrix. Fracture strength and Young's modulus increase with increasing crystalline volume fraction. - Ribbons of the composition Ni58.5Nb20.25Y21.25 (at%) have been obtained and show phase separation due to the immiscibility gap in the Nb-Y system. The mechanical behaviour of a two-phase metallic glass, consisting of a Y-rich softer matrix and a globular harder Nb-rich phase, is clearly different from a monolithic glass. The plasticity and the hardness of the two-phase alloy are enhanced with respect to the single softer amorphous alloy composing the matrix, due to deflection of the shear bands in the vicinity of the hard globular phase.- The microstructure evolution and the mechanisms of mechanical hardening after high pressure torsion in a Ti-based dendrite/eutectic nanostructured alloy have been investigated. The dendrites are found to be harder than the eutectic matrix. The structural refinement that occurs in all phases during the severe plastic deformation imposed by HPT strengthens the material. Interestingly, this hardening is more pronounced for the eutectic regions, probably due to the bending effect observed in the lamellae which causes a concomitant loss in their directionality, thus hindering the interlamellar glide. The work has shed some light into the recently proposed routes to increase mechanical toughness of metallic glasses, such as the development of nanocomposites or phase separation into two amorphous counterparts. Nanoindentation can still be vastly used to study the deformation behaviour of metallic glasses. Although studies using nanoindentation in composite materials are still not widely carried out, the power of this technique is clearly shown in this work enabling a distinction to be made between the hardening of the constituent phases. Hence, the underlying mechanisms governing the property changes in a composite material during plastic deformation (i.e. compression tests or severe plastic deformation) can now be better understood. The use of complementary techniques, such as SEM or TEM, has shown to provide valuable information for the in-depth investigation of the microscopic mechanisms governing plastic flow in metallic glasses and their composites.The deformation mechanisms and the applications of metallic glasses and composite materials are still under investigation. The work presented in this thesis is likely to motivate new studies on the subject, from both fundamental and technological points of view. The obtained results can help in the interpretation of phenomena, like the indentation size-effect, relaxation processes, cyclic deformation and deformation during indentation in metallic glasses. Finally, more work has to be done in the optimization of ductilization procedures of metallic glasses and nanocrystalline alloys which may enhance their performance and widen their applicability as structural materials.References:[1] Masumoto T, Egami T: Mater Sci Eng 1981; 48:147.[2] Croat JJ, Herbst JF, Lee RW, Pinkerton FE: J Appl Phys1984; 55:2078.[3] Pampillo CA, Polk DE: Acta Metall 1974; 22:741.[4] Masumoto T, Maddin R: Mater Sci Eng 1975; 19:1.[5] Hufnagel TC: On Mechanical Behavior of Metallic Glasses, Scripta Mater 2006; viewpoint nº37.[6] Spaepen F: Acta Metall 1977; 25:407.[7] Argon AS: Acta Metall 1979; 27:47.[8] Lewandowski JJ, Greer AL, Wang WH: Philos Mag Lett 2005; 85:77.[9] Xi XK, Zhao DQ, Pan MX, Wang WH, Wu Y, Lewandowski JJ: Phys Rev Lett 2005; 94:1255510.[10] Schroers J, Johnson WL: Phys Rev Lett 2004; 93:255506.[11] Hays CC, Kim CP, Johnson WL: Phys Rev Lett 2000; 84:2901.[12] Ott RT, Sansoz F, Molinari JF, Almer J, Ramesh KT, Hufnagel TC: Acta Mater 2005; 53:1883.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / Although laminated materials have been used for decades, their employment has increased nowadays in the last years as a result of the gained confidence of the industry on these materials. This has provided the scientific community many reasons to dedicate considerable amount of time and efforts to address a better understanding of their mechanical behavior. With this objective both, experimental and numerical simulation have been working together to give response to a variety of problems related with these materials. Regarding numerical simulation, a correct modeling of the kinematics of laminated materials is essential to capture the real behavior of the structure. Moreover, once the kinematics of the structure has been accurately predicted other non-linear phenomena such as damage and/or plasticity process could be also studied. In consequence, in order to contribute to the constant development of simpler and more efficient numerical tools to model laminated materials, a numerical method for modeling mode II/III delamination in advanced composite materials using one- and two-dimensional finite elements is proposed in this work. In addition, two finite elements base on a zigzag theory for simulating highly heterogeneous multilayered beams and plates structures are developed here. The document is written based on results of four papers published in indexed journals. Copies of all these papers are included in Appendix. The main body of this thesis is constituted by Chapters 2 to 4. Chapter 2 deals with the numerical treatment of laminated beams and plates. Chapter 3 presents the formulation of the LRZ beam and the QLRZ plate finite elements based on the Refined Zigzag Theory. Finally, the main contribution of this thesis, the LRZ/QLRZ delamination model, is developed in Chapter 4. / Aunque los materiales laminados se han utilizado durante décadas, su uso ha aumentado en los últimos años como resultado de una mayor confianza por parte de la industria. Esto ha proporcionado a la comunidad científica muchas razones para dedicar una considerable cantidad de tiempo y esfuerzos en aras de una mejor comprensión de su comportamiento mecánico. Con este objetivo tanto la simulación experimental como numérica han estado trabajando juntos para dar respuesta a una variedad de problemas relacionados con estos materiales. En cuanto a la simulación numérica, un correcto modelado de la cinemática de los materiales laminados es esencial para capturar el comportamiento real de la estructura. Por otra parte, una vez que la cinemática de la estructura se ha predicho con precisión otros fenómenos no lineales como los proceso de daño y/o plasticidad podrían ser también estudiados. En consecuencia, con el fin de contribuir al constante desarrollo de herramientas numéricas más simples y eficaces para modelar materiales laminados, un método numérico para el modelado de la delaminación (modo II/III) en materiales compuestos avanzados utilizando elementos finitos de una y dos dimensiones es propuesto en este trabajo. Además, dos elementos finitos para la simulación de vigas y placas de varias capas altamente heterogéneos son desarrollados aquí. El documento está escrito en base a los resultados de cuatro artículos publicados en revistas indexadas. Copias de estos artículos se incluyen en el Apéndice. El cuerpo principal de esta tesis está constituido por los Capítulos 2-4. El Capítulo 2 aborda el tratamiento numérico de vigas y placas laminadas. El capítulo 3 presenta la formulación de los elementos finitos de viga LRZ y placa QLRZ basados en la Teoría Zigzag Refinada. Finalmente, la principal contribución de esta tesis, el modelo de delaminación LRZ/QLRZ, se desarrolla en el capítulo 4.

Tesi per compendi de publicacions / Hydrogen constitutes a promising alternative to manage our energy supply more efficiently. Hydrogen can be stored and used in fuel cells to produce electricity, where it combines with the oxygen present in the air and generates solely water as by-product. Of the different methods available to produce hydrogen, the catalytic reaction of ethanol and water (reforming) is one of the most advantageous alternatives, since ethanol can be produced easily from biomass (bioethanol), is liquid and simple to manipulate. This doctoral thesis studies the behavior of a family of cobalt catalysts to produce hydrogen from ethanol and water; to be more precise, catalysts based on cobalt hydrotalcites. The same process could be triggered by other types of catalyst, but many of them are far more expensive due to the noble metals they contain, and others - those based on nickel and cobalt - desactivate after a short amount of time because their surface accumulate carbon. This thesis demonstrates that with the help of a precise method of preparation, one can create inexpensive catalysts from cobalt hydrotalcites, which remain quite stable under realistic operating conditions. Chapter 1 introduces the reader to the key aspects of this doctoral thesis. It explains the objectives pursued and gives an overview of the state of art and the groundwork on which the experimental work is based. Besides explaining the general characteristics of the catalysts and the reactions that will be studied, chapter 1 also informs about cordierite monoliths: what exactly are they and why are they used in this work to physically stabilize the catalysts and catalytic membrane reactors. In this way, the aim of this doctoral thesis is to acquire new scientific knowledge on the one hand and on the other, to apply this knowledge in the development of devices that can be applied in practice. The four chapters following thereafter form a compound of papers that have been published in notable international journals (three of them) and one article in process of revision. Chapter 2 describes the preparation of a family of cobalt hydrotalcites with different ratios of cobalt, magnesia and aluminum, and how these cobalt hydrotalcites behave in the ethanol steam reforming reaction to produce hydrogen. Starting from a detailed characterization using different techniques like TEM, XRD, IR, TGA, In situ XPS, magnetism, etc., the different chemical elements present are identified, and their structure in the catalysts before, during, and after reaction is analyzed. It becomes evident that the best formula (with the greatest yield of hydrogen and the least amount of coke residual) is a hydrotalcite with a relation of Co:Mg:Al=1:2:1. It is concluded that during the reaction, the hydrotalcite-based catalyst transforms itself to a mix of cobalt spinel, strongly interacting with MgO on a nanometric scale. Nevertheless, if the reaction is repeated using only cobalt spinel (synthesized specifically for this purpose), the outcome is a smaller amount of hydrogen. This shows that cobalt hydrotalcite used as a catalyst precursor plays a crucial part in the final structure of the catalyst. Hydrotalcite Co:Mg:Al=1:2:1 doped with Pt and Rh is studied in chapter 3. For this, two families of catalysts with different ratios of Pt and Rh were prepared. They were analyzed under the same conditions as explained in chapter 2 and were tested in the reaction. The objective of doping the cobalt hydrotalcite with noble metals was to facilitate the reaction of cobalt, given the fact that metallic cobalt is the active element in ethanol steam reforming. Besides this key function of metallic cobalt, chapter 2 also reveals, however, that metallic cobalt speeds up the catalyst deactivation by causing severe coke accumulation. Hydrotalcite Co:Mg:Al=1:2:1 doped with Pt and Rh is studied in chapter 3. For this, two families of catalysts with different ratios of Pt and Rh were prepared.