[ES] Las pilas de combustible de hidrógeno o bioalcohol son una tecnología prometedora para la generación de energía limpia y eficiente en el intento actual de revertir los severos efectos causados por el cambio climático. No obstante, para lograr generalizar su uso, esta tecnología debe optimizarse. Concretamente, la membrana de intercambio de protones es un componente crucial para mejorar su rendimiento general. Esta línea de investigación, entre otras, está incluida en la mayoría de las actuales líneas estratégicas nacionales y europeas con el objetivo de implantar estos sistemas de producción de energía sostenibles en un futuro próximo. En la presente tesis doctoral se presenta un procedimiento robusto y fiable que permite el diseño de membranas de intercambio de protones mediante la caracterización y análisis de varios materiales poliméricos con la intención de predecir su comportamiento en condiciones operativas. En ese sentido, se analizan cuatro tipos diferentes de microestructuras. En el Capítulo 4 se analizan dos series de membranas basadas en copolímeros en bloque sulfonados de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS). La microestructura se ha ajustado para su idoneidad en aplicaciones de pilas de combustible. Posteriormente, se aplica a las muestras un proceso de sulfonación, fotorreticulación UV e hibridación. En el Capítulo 5 se analiza una serie de membranas de poli(alcohol vinílico) (PVA) convenientemente modificadas para su idoneidad como membranas de intercambio de protones en celdas de combustible de metanol directo (DMFC). El análisis se centra en si la reticulación y la sulfonación mediante el uso de SSA mejoran la estabilidad y aumentan la conducción de protones en la estructura de PVA tal y como se esperaba inicialmente. Además, se evalúa el efecto de la adición de óxido de grafeno (GO) en los espectros dieléctricos y la conductividad protónica. En el Capítulo 6 se analizan dos series de membranas a base de copolímero de poli (epiclorhidrina) (PECH) y poli (epiclorhidrina-co-óxido de etileno) (PECH-co-EO). Ambas membranas están modificadas con unidades de 3,4,5-tris[4-(n-dodecan-1-iloxi)benciloxi]benzoato. El análisis se centra en la capacidad de estas membranas para formar canales, promovidos por la orientación térmica, lo que mejora los mecanismos de transferencia de carga y la conductividad de los protones. En el Capítulo 7 se realiza el análisis de una membrana sintetizada a partir de una red adaptable covalente (CAN). La característica más importante de este tipo de polímeros es la presencia de enlaces reversibles en la estructura que les permite mostrar propiedades físicas como la autoreparación, la soldabilidad y la reciclabilidad. Estas propiedades podrían mejorar el ciclo de vida de las membranas de intercambio protónico. El análisis realizado incluye una evaluación de las dos temperaturas más importantes desde el punto de vista viscoelástico, es decir, la transición vítrea Tg y la temperatura de transición de congelación de la topología Tv, y su impacto en la conductividad protónica. Como resultado de este estudio, se desarrolla una metodología para analizar diversas membranas poliméricas con diferentes microestructuras mediante Análisis Térmico Dieléctrico (DETA). En consecuencia, el estudio de las propiedades dieléctricas, en términos de la permitividad compleja (ε∗), junto con el análisis de la conductividad compleja (σ∗), permite obtener información sobre la dinámica molecular que favorece eficientemente los mecanismos de transferencia de carga. La conductividad protónica (σprot) se estimará a partir de los datos dieléctricos, lo que permitirá evaluar las membranas poliméricas ensayadas para su aplicación como membranas de intercambio protónico. En consecuencia, se puede optimizar el funcionamiento de las membranas de intercambio de protones, y se promueve su implementación masiva. / [CA] Les piles de combustible d'hidrogen o bioalcohol són una tecnologia prometedora per a la generació d'energia neta i eficient en l'intent actual de revertir els severs efectes causats pel canvi climàtic. No obstant això, per a aconseguir generalitzar el seu ús, aquesta tecnologia ha d'optimitzar-se. Concretament, la membrana d'intercanvi de protons és un component crucial per a millorar el seu rendiment general. Aquesta línia d'investigació, entre d'altres, està inclosa en la majoria de les actuals línies estratègiques nacionals i europees amb l'objectiu d'implantar aquests sistemes de producció d'energia sostenibles en un futur pròxim. En la present tesi doctoral es presenta un procediment robust i fiable que permet el disseny de membranes d'intercanvi de protons mitjançant la caracterització i anàlisi de diversos materials polimèrics amb la intenció de predir el seu comportament en condicions operatives. En aqueix sentit, s'analitzen quatre tipus diferents de microestructures. En el Capítol 4 s'analitzen dues sèries de membranes basades en copolímers en bloc sulfonats d'estiré-etilé-butilé-estiré (SEBS). La microestructura s'ha ajustat per a la seua idoneïtat en aplicacions de piles de combustible. Posteriorment, s'aplica a les mostres un procés de sulfonació, fotorreticulació UV i hibridació. En el Capítol 5 s'analitza una sèrie de membranes de poli(alcohol vinílic) (PVA) convenientment modificades per a la seua idoneïtat com a membranes d'intercanvi de protons en cel·les de combustible de metanol directe (DMFC). L'anàlisi se centra en si la reticulació i la sulfonació mitjançant l'ús de SSA milloren l'estabilitat i augmenten la conducció de protons en l'estructura de PVA tal com s'esperava inicialment. A més, s'avalua l'efecte de l'addició d'òxid de grafé (GO) en els espectres dielèctrics i la conductivitat protònica. En el Capítol 6 s'analitzen dues sèries de membranes a base de copolímer de poli (epiclorhidrina) (PECH) i poli (epiclorhidrina-co-òxid d'etilé) (PECH-co-EO). Totes dues membranes estan modificades amb unitats de 3,4,5-tris[4-(n-dodecan-1-iloxi)benciloxi] benzoato. L'anàlisi es centra en la capacitat d'aquestes membranes per a formar canals, promoguts per l'orientació tèrmica, la qual cosa millora els mecanismes de transferència de càrrega i la conductivitat dels protons. En el Capítol 7 es realitza l'anàlisi d'una membrana sintetitzada a partir d'una xarxa adaptable covalent (CA). La característica més important d'aquesta mena de polímers és la presència d'enllaços reversibles en l'estructura que els permet mostrar propietats físiques com l'autoreparació, la soldabilitat i la reciclabilitat. Aquestes propietats podrien millorar el cicle de vida de les membranes d'intercanvi protònic. L'anàlisi realitzada inclou una avaluació de les dues temperatures més importants des del punt de vista viscoelàstic, és a dir, la transició vítria Tg i la temperatura de transició de congelació de la topologia Tv, i el seu impacte en la conductivitat protònica. Com a resultat d'aquest estudi, es desenvolupa una metodologia per a analitzar diverses membranes polimèriques amb diferents microestructures mitjançant Anàlisi Tèrmic Dielèctric (DETA). En conseqüència, l'estudi de les propietats dielèctriques, en termes de la permitivitat complexa (ε∗), juntament amb l'anàlisi de la conductivitat complexa (σ∗), permet obtindre informació sobre la dinàmica molecular que afavoreix eficientment els mecanismes de transferència de càrrega. La conductivitat protònica (σprot) s'estimarà a partir de les dades dielèctriques, la qual cosa permetrà avaluar les membranes polimèriques assajades per a la seua aplicació com a membranes d'intercanvi protònic. En conseqüència, es pot optimitzar el funcionament de les membranes d'intercanvi de protons, i es promou la seua implementació massiva. / [EN] Hydrogen or bioalcohol fuel cells are a promising technology for clean and efficient energy generation in the current attempt to reverse the severe effects caused by climate change. However, in order to achieve its general use, this technology must be optimized. Specifically, the proton exchange membrane is a crucial component to improve your overall performance. This line of research, among others, is included in most of the current national and European strategic lines with the aim of implementing these sustainable energy production systems in the near future. In this doctoral thesis, a robust and reliable procedure is presented that allows the design of proton exchange membranes through the characterization and analysis of various polymeric materials with the intention of predicting their behaviour under operating conditions. In this sense, four different types of microstructures are analysed. In Chapter 4, two series of membranes based on sulfonated block copolymers of styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) are discussed. The microstructure has been adjusted for its suitability in fuel cell applications. Subsequently, a sulfonation, UV photocrosslinking, and hybridization process are applied to the samples. In Chapter 5, a series of polyvinyl alcohol (PVA) membranes suitably modified for their suitability as proton exchange membranes in direct methanol fuel cells (DMFC) are discussed. The analysis focuses on whether crosslinking and sulfonation using SSA improve stability and increase proton conduction in the PVA structure as initially expected. In addition, the effect of the addition of graphene oxide (GO) on the dielectric spectra, and proton conductivity is evaluated. In Chapter 6 two series of membranes based on copolymers of poly (epichlorohydrin) (PECH) and poly (epichlorohydrin-co-ethylene oxide) (PECH-co-EO) are analysed. Both membranes are modified with 3,4,5-tris[4-(n-dodecan-1-yloxy)benzyloxy]benzoate units. The analysis focuses on the ability of these membranes to form channels, promoted by thermal orientation, which improves the charge transfer mechanisms and the proton conductivity. In Chapter 7, the analysis of a membrane synthesized from a covalent adaptive network (CAN) is performed. The most important characteristic of this type of polymer is the presence of reversible bonds in the structure that allows them to display physical properties such as self-healing, weldability, and recyclability. These properties could improve the life cycle of proton exchange membranes. The analysis carried out includes an evaluation of the two most important temperatures from the viscoelastic point of view, that is, the glass transition Tg and the freezing transition temperature of the topology Tv, and their impact on the proton conductivity. As a result of this study, a methodology is developed to analyse various polymeric membranes with different microstructures by means of Dielectric Thermal Analysis (DETA). Consequently, the study of the dielectric properties, in terms of the complex permittivity (σ∗), together with the analysis of the complex conductivity (ε∗), allows us to obtain information on the molecular dynamics that efficiently favour the charge transfer mechanisms. The proton conductivity (σprot) will be estimated from the dielectric data, which will allow the evaluation of the tested polymeric membranes for their application as proton exchange membranes. Consequently, the functioning of proton exchange membranes can be optimized, and their massive implementation is promoted. / Pascual José, B. (2023). Design and Characterization of Polymeric Materials for their Application as Electrolytes in Fuel Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196863

Tesis por compendio / [ES] El control de ruido ambiental es una preocupación de primera magnitud para las sociedades avanzadas, debido a los problemas derivados que ocasionan en la salud de los ciudadanos. Una de las soluciones más extendidas para el control del ruido en su fase de transmisión en la utilización de pantallas acústicas. La aparición de nuevos materiales formados por redes de dispersores acústicos aislados, denominados cristales de sonido, está revolucionando el campo del apantallamiento acústico, posibilitando el avance tecnológico de esta área. Así, en los últimos años, las pantallas acústicas basadas en cristales de sonido se han posicionado como una alternativa viable a las pantallas acústicas tradicionales, puesto que ofrecen múltiples ventajas frente a las soluciones actuales. En el presente trabajo se muestra primeramente una recopilación de los avances realizados en el campo del apantallamiento acústico mediante esta tipología de pantallas. No obstante, aún existen líneas de investigación abiertas en esta área, que es necesario abordar para conseguir el objetivo de aplicar esta tecnología como atenuadores de sonido en las infraestructuras de transporte. Durante el periodo de formación de la doctoranda, se ha trabajado en algunas de las líneas de investigación activas en este campo del apantallamiento acústico. Una de estas investigaciones condujo al descubrimiento de interferencias entre los efectos de la resonancia y la dispersión múltiple de los cristales de sonido cuando estos efectos se producen en rangos de frecuencia cercanos. También hemos diseñado un nuevo dispositivo de reducción de ruido basado en cristales de sonido, utilizando herramientas de optimización multiobjetivo, que permitan apantallar y reflejar de forma difusa el ruido. El empleo de esta nueva herramienta de diseño identificó la necesidad de realizar un estudio comparativo de los métodos de simulación más utilizados para estimar el rendimiento de los dispositivos basados en cristales de sonido. Por último, hemos realizado un estudio psicoacústico para determinar la percepción de la reducción de molestia que proporcionan las pantallas acústicas basadas en cristales sonido y las barreras tradicionales, determinando si los parámetros objetivos que evalúan su rendimiento coinciden con la respuesta subjetiva de los usuarios. / [CA] El control de soroll ambiental és una preocupació de primera magnitud per a les societats avançades, a causa dels problemes derivats que ocasionen en la salut dels ciutadans. Una de les solucions més esteses per al control del soroll en la seua fase de transmissió en la utilització de pantalles acústiques. L'aparició de nous materials formats per xarxes de dispersors acústics aïllats, denominats cristals de so, està revolucionant el camp de l'apantallament acústic, possibilitant l'avanç tecnològic d'esta àrea. Així, en els últims anys, les pantalles acústiques basades en cristals de so s'han posicionat com una alternativa viable a les pantalles acústiques tradicionals, ja que oferixen múltiples avantatges enfront de les solucions actuals. En el present treball es mostra primerament una recopilació dels avanços realitzats en el camp de l'apantallament acústic per mitjà d'esta tipologia de pantalles. No obstant això, encara hi ha línies d'investigació obertes en esta àrea, que és necessari abordar per a aconseguir l'objectiu d'aplicar esta tecnologia com a atenuadors de so en les infraestructures de transport. Durant el període de formació de la doctoranda, s'ha treballat en algunes de les línies d'investigació actives en este camp de l'apantallament acústic. Una d'estes investigacions va conduir al descobriment d'interferències entre els efectes de la ressonància i la dispersió múltiple dels cristals de so quan estos efectes es produïxen en rangs de freqüència pròxims. També hem dissenyat un nou dispositiu de reducció de soroll basat en cristals de so, utilitzant ferramentes d'optimització multiobjectiu, que permeten apantallar i reflectir de forma difusa el soroll. L'ús d'esta nova ferramenta de disseny va identificar la necessitat de realitzar un estudi comparatiu dels mètodes de simulació més utilitzats per a estimar el rendiment dels dispositius basats en cristals de so. Finalment, hem realitzat un estudi psicoacústic per a determinar la percepció de la reducció de molèstia que proporcionen les pantalles acústiques basades en cristals so i les barreres tradicionals, determinant si els paràmetres objectius que avaluen el seu rendiment coincidixen amb la resposta subjectiva dels usuaris. / [EN] Control of environmental noise is a major concern for advanced societies because of the resulting problems for citizens' health. One of the most widespread solutions for controlling noise in its transmission phase is the use of acoustic screens. The emergence of new materials made up of arrays of isolated acoustic scatterers, called sonic crystals, is revolutionizing the field of acoustic screening. In recent years, acoustic screens based on sonic crystals have positioned themselves as a viable alternative to traditional acoustic screens, as they offer multiple advantages over current traditional solutions. This Doctoral dissertation compiles the advances in the field of acoustic screening using this type of sonic crystals. However, there is still active research in this area which needs to be addressed and studied in order to apply this technology as noise reduction devices in transport infrastructures. Therefore, during the PhD student's training period, we have researched the acoustic phenomena produced by isolated scatterers in order to better understand the physical phenomena behind the lasts designs of this type of screen. One of these researches led to the discovery of interferences between the effects of resonance and multiple scattering of sonic crystals when occurring in nearby frequency ranges. Also we have designed a new noise reduction device based on sonic crystals, using multi-objective optimization tools, which would block and diffuse the noise. This new designing tool identified the need for a comparative study of the most commonly used simulation methods to estimate the performance of devices based on sonic crystals. Finally, we have carried out a psychoacoustic study that determined the perception of the annoyance reduction provided by acoustic screens based on sonic crystals and traditional barriers, determining whether the objective parameters that evaluate their performance match to the subjective response of the users. / Agradezco al Ministerio de Ciencia e Innovación por la ayuda concedida dentro del programa Doctores Industriales. Asimismo, a mi tutor en empresa Dr. Juan José Martín Pino, por posibilitar la realización de esta investigación dentro de la empresa BECSA. Al Departamento de Física Aplicada de la Universitat Politècnica de València, a la Comisión Académica del Programa de Doctorado de Matemáticas y al Centro de Tecnologías Físicas: Acústica, Materiales y Astrofísica. / Peiró Torres, MDP. (2021). Research of the acoustic phenomenon produced by isolated scatterers and its applicability as a noise reducing device in transport infrastructures. Search for an optimised and sustainable design [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164903 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal. / [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal. / [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices. / Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020. / Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163 / Compendio