Neste trabalho propomos uma investigação através de simulações de dinâmica molecular da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas, tanto dentro de nanotubos funcionalizados quanto em membranas bi-dimensionais para dessalinização. No caso da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas de nanotubos nós encontramos uma quebra na relação de Stokes-Einstein para a difusão e a viscosidade da água. Essa quebra ocorre para os menores nanotubos − em que pelo menos duas camadas de água formam-se, condição para deslizamento de camadas necessária para o cálculo da viscosidade. O mecanismo por trás deste comportamento é ditado pela estrutura da água confinada. Esse resultado indica que algumas das características observadas para a água dentro de nanotubos hidrofóbicos, como nanotubos de carbono na natureza, são únicas. Encontramos uma grande dependência da dinâmica e estrutura da água confinada com as características polares do nanotubo, principalmente para nanotubos com diâmetros menores que 1 nm. Ao variarmos a temperatura do sistema, observamos ainda uma forte dependência da estruturação das moléculas de água com a temperatura, a ponto de apresentar transições entre estados mais e menos ocupados Nossos resultados de dinâmica molecular também mostram que membranas contendo nanoporos com sítios hidrofílicos entre regiões hidrofóbicas podem apresentar grande fluxo de água e reduzido transporte de íons, o que torna esses materiais excelentes candidatos para sistemas de dessalinização e limpeza de metais pesados. Ao acrescentarmos um químico floculante (cloreto de ferro) à água salgada, encontramos resultados ainda melhores para a rejeição de sal pelas membranas nanoporosas. Todos esses resultados demonstram a importância do estudo das propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas em interfaces aquosas. Em todos os casos, encontramos uma dependência inerente das propriedades de transporte da água com a característica polar da superfície de contato. / In this work we have proposed an investigation through molecular dynamics (MD) simulations of the water behavior at hydrophobic and hydrophilic surfaces in both functionalyzed nanotubes and two-dimensional nanpores. In the case of water at hydrophobic and hydrophilic nanotube surfaces, we have found a breakdown of the Stokes-Einstein relation for diffusion and viscosity of water confined in narrow hydrophobic nanopores. The mechanism underlying this behavior is dictated by the structure of water under confinement. This result indicates that some of the features observed for water inside hydrophobic carbon nanotubes cannot be observed in other nanopores. We have also found an important dependence of the water dynamics with the polar character of the nanotube, mostly for small diameters. By varying the temperature, both the dynamics and the water structuration are affected, presenting transitions between dense-packed and low-density states. Our results also shows that nanoporous membranes, with hydrophilic sites sandwiched between hydrophobic regions, can present an important flux of water molecules and reduced ion transportation, making these structures promising for desalination processes. By adding a flocculant ingredient (ferric chloride) to the salt water, we found even larger ion rejection rates. All the results point out the importance of studying hydrophilic and hydrophobic interfaces for water transport. In all the cases, we have found an ubiquitous dependence of water dynamic properties on the surface polarity.

Os processos de separação com membranas estão presentes nas mais diversas aplicações industriais. Em especial, a microfiltração e a ultrafiltração vêm sendo extensivamente utilizadas no tratamento de água e de efluentes. Com o aumento da demanda, muitos estudos têm sido feitos para melhorar o desempenho dos processos com membranas, porém a escolha apropriada da membrana é um fator crucial para atingir esse objetivo. As membranas à base de polietersulfona (PES) estão entre as mais utilizadas industrialmente para esse tipo de aplicação devido às suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade térmica e resistência química. No entanto, por serem pouco hidrofílicas, essas membranas apresentam baixos fluxos de água e elevada tendência ao fouling e ao biofouling. A fim de melhorar essas propriedades, muitos autores têm proposto modificações nas membranas para torná-las mais hidrofílicas e, portanto, aumentar o fluxo de água e diminuir o fouling. Dentro desse contexto, o presente trabalho teve como objetivo preparar membranas de ultrafiltração de PES, utilizando a ftaloil-quitosana (FQ) como aditivo, a fim de se obter membranas com propriedade antifouling. Membranas de PES e PES/FQ foram preparadas pelo processo de inversão de fases e caracterizadas quanto à morfologia, à estrutura química, à estabilidade térmica, ao caráter hidrofílico, à permeância hidráulica, à massa molar de corte (MMC) e ao desempenho em ultrafiltração de solução proteica. As membranas modificadas com o aditivo apresentaram estrutura mais heterogênea e com macrovazios maiores, maior caráter hidrofílico e maior permeância hidráulica. Os resultados de MMC não foram conclusivos. No teste de ultrafiltração, essas membranas apresentaram maiores fluxos e menor tendência ao fouling, indicando que o aditivo utilizado foi adequado na melhoria das propriedades desejadas. A retenção proteica, a perda de fluxo e a recuperação de fluxo após limpezas não apresentaram diferenças significativas. / In recent years, membrane separation processes have been widely used in all kinds of industries and applications. Particularly microfiltration and ultrafiltration have been extensively used for drinking water and wastewater treatments. With the increasing demand, many efforts have been done in order to enhance the process performance, but the choice of the appropriate membrane is a crucial factor to achieve this goal. Polyethersulfone (PES) based membranes are among the most commonly used for such applications due to their excellent chemical resistance, thermal stability and mechanical properties. However, because of its low hydrophilicity, these membranes have low water flux and high fouling and biofouling tendency. In order to improve these properties, many authors have proposed membrane modifications to make them more hydrophilic and thus increase the water flux and reduce fouling. Within this context, this work aimed to prepare PES ultrafiltration membranes using phthaloyl-chitosan (FQ) as an additive in order to obtain membranes with antifouling property. PES and PES/FQ membranes were prepared by phase inversion process and their morphology, chemical structure, thermal stability, hydrophilicity, hydraulic permeance, molecular weight cutoff (MWCO) and performance in ultrafiltration of protein solution were characterized. The membranes modified with additives showed more heterogeneous structure with larger macrovoids, higher hydrophilicity and higher hydraulic permeance. The MWCO results were inconclusive. In the ultrafiltration test, these membranes exhibited higher fluxes and lower fouling tendency, indicating that the additive used was adequate in improving the desired properties. The protein retention, flux reduction and flux recovery after cleaning showed no significant differences.

Neste trabalho propomos uma investigação através de simulações de dinâmica molecular da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas, tanto dentro de nanotubos funcionalizados quanto em membranas bi-dimensionais para dessalinização. No caso da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas de nanotubos nós encontramos uma quebra na relação de Stokes-Einstein para a difusão e a viscosidade da água. Essa quebra ocorre para os menores nanotubos − em que pelo menos duas camadas de água formam-se, condição para deslizamento de camadas necessária para o cálculo da viscosidade. O mecanismo por trás deste comportamento é ditado pela estrutura da água confinada. Esse resultado indica que algumas das características observadas para a água dentro de nanotubos hidrofóbicos, como nanotubos de carbono na natureza, são únicas. Encontramos uma grande dependência da dinâmica e estrutura da água confinada com as características polares do nanotubo, principalmente para nanotubos com diâmetros menores que 1 nm. Ao variarmos a temperatura do sistema, observamos ainda uma forte dependência da estruturação das moléculas de água com a temperatura, a ponto de apresentar transições entre estados mais e menos ocupados Nossos resultados de dinâmica molecular também mostram que membranas contendo nanoporos com sítios hidrofílicos entre regiões hidrofóbicas podem apresentar grande fluxo de água e reduzido transporte de íons, o que torna esses materiais excelentes candidatos para sistemas de dessalinização e limpeza de metais pesados. Ao acrescentarmos um químico floculante (cloreto de ferro) à água salgada, encontramos resultados ainda melhores para a rejeição de sal pelas membranas nanoporosas. Todos esses resultados demonstram a importância do estudo das propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas em interfaces aquosas. Em todos os casos, encontramos uma dependência inerente das propriedades de transporte da água com a característica polar da superfície de contato. / In this work we have proposed an investigation through molecular dynamics (MD) simulations of the water behavior at hydrophobic and hydrophilic surfaces in both functionalyzed nanotubes and two-dimensional nanpores. In the case of water at hydrophobic and hydrophilic nanotube surfaces, we have found a breakdown of the Stokes-Einstein relation for diffusion and viscosity of water confined in narrow hydrophobic nanopores. The mechanism underlying this behavior is dictated by the structure of water under confinement. This result indicates that some of the features observed for water inside hydrophobic carbon nanotubes cannot be observed in other nanopores. We have also found an important dependence of the water dynamics with the polar character of the nanotube, mostly for small diameters. By varying the temperature, both the dynamics and the water structuration are affected, presenting transitions between dense-packed and low-density states. Our results also shows that nanoporous membranes, with hydrophilic sites sandwiched between hydrophobic regions, can present an important flux of water molecules and reduced ion transportation, making these structures promising for desalination processes. By adding a flocculant ingredient (ferric chloride) to the salt water, we found even larger ion rejection rates. All the results point out the importance of studying hydrophilic and hydrophobic interfaces for water transport. In all the cases, we have found an ubiquitous dependence of water dynamic properties on the surface polarity.

Os processos de separação com membranas estão presentes nas mais diversas aplicações industriais. Em especial, a microfiltração e a ultrafiltração vêm sendo extensivamente utilizadas no tratamento de água e de efluentes. Com o aumento da demanda, muitos estudos têm sido feitos para melhorar o desempenho dos processos com membranas, porém a escolha apropriada da membrana é um fator crucial para atingir esse objetivo. As membranas à base de polietersulfona (PES) estão entre as mais utilizadas industrialmente para esse tipo de aplicação devido às suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade térmica e resistência química. No entanto, por serem pouco hidrofílicas, essas membranas apresentam baixos fluxos de água e elevada tendência ao fouling e ao biofouling. A fim de melhorar essas propriedades, muitos autores têm proposto modificações nas membranas para torná-las mais hidrofílicas e, portanto, aumentar o fluxo de água e diminuir o fouling. Dentro desse contexto, o presente trabalho teve como objetivo preparar membranas de ultrafiltração de PES, utilizando a ftaloil-quitosana (FQ) como aditivo, a fim de se obter membranas com propriedade antifouling. Membranas de PES e PES/FQ foram preparadas pelo processo de inversão de fases e caracterizadas quanto à morfologia, à estrutura química, à estabilidade térmica, ao caráter hidrofílico, à permeância hidráulica, à massa molar de corte (MMC) e ao desempenho em ultrafiltração de solução proteica. As membranas modificadas com o aditivo apresentaram estrutura mais heterogênea e com macrovazios maiores, maior caráter hidrofílico e maior permeância hidráulica. Os resultados de MMC não foram conclusivos. No teste de ultrafiltração, essas membranas apresentaram maiores fluxos e menor tendência ao fouling, indicando que o aditivo utilizado foi adequado na melhoria das propriedades desejadas. A retenção proteica, a perda de fluxo e a recuperação de fluxo após limpezas não apresentaram diferenças significativas. / In recent years, membrane separation processes have been widely used in all kinds of industries and applications. Particularly microfiltration and ultrafiltration have been extensively used for drinking water and wastewater treatments. With the increasing demand, many efforts have been done in order to enhance the process performance, but the choice of the appropriate membrane is a crucial factor to achieve this goal. Polyethersulfone (PES) based membranes are among the most commonly used for such applications due to their excellent chemical resistance, thermal stability and mechanical properties. However, because of its low hydrophilicity, these membranes have low water flux and high fouling and biofouling tendency. In order to improve these properties, many authors have proposed membrane modifications to make them more hydrophilic and thus increase the water flux and reduce fouling. Within this context, this work aimed to prepare PES ultrafiltration membranes using phthaloyl-chitosan (FQ) as an additive in order to obtain membranes with antifouling property. PES and PES/FQ membranes were prepared by phase inversion process and their morphology, chemical structure, thermal stability, hydrophilicity, hydraulic permeance, molecular weight cutoff (MWCO) and performance in ultrafiltration of protein solution were characterized. The membranes modified with additives showed more heterogeneous structure with larger macrovoids, higher hydrophilicity and higher hydraulic permeance. The MWCO results were inconclusive. In the ultrafiltration test, these membranes exhibited higher fluxes and lower fouling tendency, indicating that the additive used was adequate in improving the desired properties. The protein retention, flux reduction and flux recovery after cleaning showed no significant differences.

O propósito deste trabalho é aumentar o conhecimento existente sobre as interações dielétricas da água confinada em materiais hidrofílicos, no regime de baixas temperaturas. Os materiais hidrofílicos (sílica gel, gesso, colágeno e álcool polivinílico - PVA) foram analisados com os recursos disponíveis na técnica de Espectroscopia de Impedância - permissividade dielétrica e impedância elétrica. Como objetivo especifico procurou-se estabelecer experimentalmente o papel das ligações hidrogênio nos processos de condução observados na água confinada e verificar a existência da transição dinâmica da água super-resfriada em T = -45ºC (228K). As substâncias examinadas possuem redes ou cadeias moleculares, com grupos polares superficiais capazes de se ligarem às moléculas de água por meio de ligações hidrogênio. Em espaços restritos de natureza hidrofílica, a água pode ser super-resfriada além do ponto de nucleação homogênea, permanecendo líquida para temperaturas inferiores a 0ºC. O entendimento de sistemas envolvendo materiais hidrofílicos - tais como sólidos, géis e macromoléculas - e a água, contribui para o desenvolvimento de novos materiais e para o entendimento dos sistemas vivos. De acordo com os resultados obtidos a condução dos íons na água confinada se dá por meio da rede formada, via ligações hidrogênio, entre as moléculas de água e a cadeia dos materiais. O espectro elétrico dos materiais estudados exibe dois processos de condução, comuns a todas as substâncias. O primeiro, é influenciado pelo nível de hidratação das amostras e está relacionado as moléculas de água distantes das superfícies. O segundo, é próprio da água confinada e possui tempos de relaxação elétricos com transições observadas em -60ºC (210K) na sílica gel, e -45ºC nos outros materiais. Também constatou-se que o tamanho da cadeia polimérica do PVA altera a dinâmica do confinamento de água: cadeias de menor peso molecular não são capazes de gerar sítios que propiciem o confinamento da água. / This work aims to increase the existing knowledge on the dielectric interactions of water confined in hydrophilic materials at low temperatures. The hydrophilic materials (silica gel, gypsum, collagen and polyvinyl alcohol - PVA) were studied with the available functions of Impedance Spectroscopy - dielectric permittivity and electrical impedance. The specific goal of this thesis is to establish the role of hydrogen bonds in the conduction processes observed in confined water and to verify the existence of the supercooled water dynamic crossover at T = -45 ºC (228K). The chosen substances have molecular chains or networks with polar surface groups connected to water molecules through hydrogen bonds. When confined in small geometries, water does not crystallize and can be supercooled bellow its homogeneous nucleation temperature. This allows the indirect investigation of supercooled confined water. The studies of systems involving hydrophilic materials - such as solids, gels and macromolecules - and water, contributes to the development of new materials and to the understanding of living systems. This study demonstrated that the conduction in the confined water occurs through the network formed by hydrogen bonds between water molecules and the chain materials. The impedance spectra of all material exhibits two conduction processes common to all the analyzed samples. While the level of hydration of the samples can influence the process of higher frequencies, the one found in lower frequencies is independent of the amount of water in the samples. The first was associated to bulk water molecules and the second is related to confined water and show the expected dynamic crossover. In addition, the size of the PVA polymeric chain alters the dynamics of water: lower molecular weight polymers are not capable of displaying the supercooled dynamic crossover.

Os processos de separação com membranas estão presentes nas mais diversas aplicações industriais. Em especial, a microfiltração e a ultrafiltração vêm sendo extensivamente utilizadas no tratamento de água e de efluentes. Com o aumento da demanda, muitos estudos têm sido feitos para melhorar o desempenho dos processos com membranas, porém a escolha apropriada da membrana é um fator crucial para atingir esse objetivo. As membranas à base de polietersulfona (PES) estão entre as mais utilizadas industrialmente para esse tipo de aplicação devido às suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade térmica e resistência química. No entanto, por serem pouco hidrofílicas, essas membranas apresentam baixos fluxos de água e elevada tendência ao fouling e ao biofouling. A fim de melhorar essas propriedades, muitos autores têm proposto modificações nas membranas para torná-las mais hidrofílicas e, portanto, aumentar o fluxo de água e diminuir o fouling. Dentro desse contexto, o presente trabalho teve como objetivo preparar membranas de ultrafiltração de PES, utilizando a ftaloil-quitosana (FQ) como aditivo, a fim de se obter membranas com propriedade antifouling. Membranas de PES e PES/FQ foram preparadas pelo processo de inversão de fases e caracterizadas quanto à morfologia, à estrutura química, à estabilidade térmica, ao caráter hidrofílico, à permeância hidráulica, à massa molar de corte (MMC) e ao desempenho em ultrafiltração de solução proteica. As membranas modificadas com o aditivo apresentaram estrutura mais heterogênea e com macrovazios maiores, maior caráter hidrofílico e maior permeância hidráulica. Os resultados de MMC não foram conclusivos. No teste de ultrafiltração, essas membranas apresentaram maiores fluxos e menor tendência ao fouling, indicando que o aditivo utilizado foi adequado na melhoria das propriedades desejadas. A retenção proteica, a perda de fluxo e a recuperação de fluxo após limpezas não apresentaram diferenças significativas. / In recent years, membrane separation processes have been widely used in all kinds of industries and applications. Particularly microfiltration and ultrafiltration have been extensively used for drinking water and wastewater treatments. With the increasing demand, many efforts have been done in order to enhance the process performance, but the choice of the appropriate membrane is a crucial factor to achieve this goal. Polyethersulfone (PES) based membranes are among the most commonly used for such applications due to their excellent chemical resistance, thermal stability and mechanical properties. However, because of its low hydrophilicity, these membranes have low water flux and high fouling and biofouling tendency. In order to improve these properties, many authors have proposed membrane modifications to make them more hydrophilic and thus increase the water flux and reduce fouling. Within this context, this work aimed to prepare PES ultrafiltration membranes using phthaloyl-chitosan (FQ) as an additive in order to obtain membranes with antifouling property. PES and PES/FQ membranes were prepared by phase inversion process and their morphology, chemical structure, thermal stability, hydrophilicity, hydraulic permeance, molecular weight cutoff (MWCO) and performance in ultrafiltration of protein solution were characterized. The membranes modified with additives showed more heterogeneous structure with larger macrovoids, higher hydrophilicity and higher hydraulic permeance. The MWCO results were inconclusive. In the ultrafiltration test, these membranes exhibited higher fluxes and lower fouling tendency, indicating that the additive used was adequate in improving the desired properties. The protein retention, flux reduction and flux recovery after cleaning showed no significant differences.

Ces travaux de thèse concernent les développements d'une méthode de séparation chromatographique couplée simultanément à l'ESI-MS et l'ICP-MS afin de réaliser l'analyse de spéciation exhaustive des lanthanides en phase aqueuse représentative des phases de désextraction des procédés de traitement du combustible usé. Cette méthode analytique permet de séparer, caractériser et quantifier des complexes de lanthanides à ligands polyaminocarboxyliques comme le DTPA et l'EDTA, utilisés comme agents complexants dans ces procédés. La méthode de séparation par chromatographie HILIC des complexes de lanthanides a été mise au point avec la phase stationnaire à fonctions amide. Un criblage d'une large gamme de compositions de phase mobile a permis de déterminer que le mécanisme d'adsorption est prédominant lors l'élution des complexes de lanthanides et d'obtenir des conditions de séparation optimisées. Des conditions d'analyse plus rapides obtenues avec une colonne à fonctions amide de granulométrie sub-2 µm et de longueur plus faible ont permis de réduire le temps d'analyse d'un facteur 2,5 et la consommation de solvant de 25 %. La caractérisation structurale et isotopique par HILIC ESI-MS a été réalisée ainsi que la mise au point d'une méthode d'étalonnage externe. Les performances analytiques de la méthode de quantification ont été déterminées. Enfin, le développement d'un système de couplage de l'HILIC à l'ESI-MS et l'ICP-MS a été réalisé. Une méthode de quantification simultanée par ESI-MS et par ICP-MS a permis de déterminer la distribution quantitative des espèces en solution ainsi que les performances analytiques associées. / This work focuses on the development of a chromatographic separation method coupled to both ESI-MS and ICP-MS in order to achieve the comprehensive speciation analysis of lanthanides in aqueous phase representative of back-extraction phases of advanced spent nuclear fuel treatment processes. This analytical method allowed the separation, the characterization and the quantitation of lanthanides complexes holding polyaminocarboxylic ligands, such as DTPA and ETDA, used as complexing agents in these processes. A HILIC separation method of lanthanides complexes has been developed with an amide bonded stationary phase. A screening of a wide range of mobile phase compositions demonstrated that the adsorption mechanism was predominant. This screening allowed also obtaining optimized separation conditions. Faster analysis conditions with shorter amide column packed with sub 2 µm particles reduced analysis time by 2.5 and 25% solvent consumption. Isotopic and structural characterization by HILIC ESI-MS was performed as well as the development of external calibration quantitation method. Analytical performances of quantitation method were determined. Finally, the development of the HILIC coupling to ESI-MS and ICP-MS was achieved. A simultaneous quantitation method by ESI-MS and ICP-MS was performed to determine the species quantitative distribution in solution. Analytical performances of quantitation method were also determined.

Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation fine des cristaux d’apatite osseuse, principalement par résonance magnétique nucléaire à l’état solide. Leur originalité majeure a été de se tourner vers l’étude d’un échantillon d’os frais et intact, analysé dans les deux heures après son extraction de chez l’animal (i.e. une brebis âgée de deux ans). Cette démarche évite toute altération de l’échantillon d’os, lequel se trouve proche de son état d’hydratation naturel. Une telle rigueur expérimentale a permis de mettre en lumière le fort caractère hydrophile des cristaux d’apatite du minéral osseux. Un même caractère hydrophile a également été rapporté pour des analogues biomimétiques de synthèse étudiés dans un état humide artificiel. Il est prouvé ici que ce caractère hydrophile est fourni par la présence d’un domaine minéral particulier se trouvant en surface des cristaux d’apatite osseuse et biomimétique, appelé domaine non-apatitique. Les signatures RMN (des noyaux 31P et 1H) ainsi que les propriétés d’hydrophilie de ce domaine non-apatitique ont été comparées à celles d’un échantillon de phosphate de calcium amorphe de synthèse, et se sont avérées similaires. Une étude sur la composition chimique de ce domaine non-apatitique a également été entreprise, réalisée parfois sur un échantillon d’os intact et parfois sur des analogues biomimétiques de synthèse enrichis en certains isotope (i.e. 13C et 43Ca). Il a de cette manière été montré que ce domaine non-apatitique est principalement composé d’espèces divalentes : Ca2+, HPO42- et CO32-. Enfin, des expériences de diffraction des rayons X et de cryo-microscopie électronique en transmission ont permis d’étudier le comportement en solution des cristaux d’apatite. Il a de cette manière été prouvé, de manière inattendue, que les molécules d’eau rigidement adsorbées sur le domaine de surface des cristaux d’apatite peuvent favoriser l’adhésion entre les cristaux ainsi que leur organisation 3D. / The work of this thesis is focused on the characterization of bone apatite crystals, mainly by solid-state nuclear magnetic resonance. The originality of this work was to study a fresh bone sample, analyzed within two hours after its extraction from the animal (i.e. a two years old sheep). This approach avoids any alteration of the bone sample, and keeps its natural state of hydration. Such experimental rigor led to the evidence that the apatite crystals of bone own a high hydrophilic character. Furthermore, a analogous hydrophilic character has also been reported for two samples of biomimetic apatites, both studied in a artificial wet state. It is shown here that this hydrophilicity is given by the presence of a particular mineral domain located at the surface of the bone apatite (and biomimetic apatite) crystals, the so called non-apatitic domain. The NMR signatures (1H and 31P nuclei) and the hydrophilic properties of the non-apatitic domain were compared with those of a synthetic amorphous calcium phosphate, and all were found to be similar. The chemical composition of the non-apatitic domain was also studied, sometimes performed on a bone sample and sometimes on labeled (13C and 43C) biomimetic apatites. It has been shown that this non-apatitic domain is mainly composed of divalent species : Ca2+ , CO32- and HPO42-. Finally, some X-ray diffraction and cryo-electron transmission microscopy experiments were done to study the behavior of apatite crystals in aqueous media. It has been shown, surprisingly, that the water molecules strongly adsorbed on the non-apatitic domain at the surface of apatite crystals, can promote the adhesion between crystals and their 3D organization.

Biomimicry means literally ‘imitation of life’ and is providing sustainable solutions for challenges that are occurring in the human lives. To date, the biomimic research reports that wettability in nature, e.g. self-cleaning effect on a lotus leaf and a striking water strider’s leg, is related to the cooperation between the chemical composition and the topography of the surface. Moreover, this study is developing a textile substrate that goes one step further than biomimic, called ‘Biomimicking beyond nature’. The focus of this study is establishing a 100% polyamide-66 textile substrate that is switchable and reversible between hydrophobic and hydrophilic states under stimulation of UV. In this study the behaviour of a polyamide-66 textile substrate, coated with three individual photoresponsive materials (azobenzene, titanium dioxide and zinc oxide), was investigated, under stimulation of 24 hours UV and one-week of storage period in dark conditions. Silicone was added to enhance the hydrophobicity of a titanium dioxide coated substrate. A switchability effect was detected, but no reversibility effect could be observed. The only organic photoresponsive material, azobenzene, obtained no significant results to conclude that an alternation between hydrophobic and hydrophilic was even present after 24 hours of UV radiation. However, azobenzene obtained more promising results on a 100% polyester textile substrate. Even though, the H0 cannot be rejected for all three individual photoresponsive materials, the zinc oxide coated polyamide-66 substrate, did exhibit the strongest results in switchability and reversibility. Based on the characterization measurements, a switchability effect from a hydrophobic surface (ca. 120°) to a hydrophilic surface (0°) can be observed after 24 hours of UV radiation. Moreover, a reversibility effect was only reported on a zinc oxide coated polyamide-66 substrate. The substrate partially reversed back to its original state with ca. 50%. Fabricating intelligent substrates could enhance many challenges confiscating today’s life. For instance, the development of smarts membranes or microfluidic switches, that alternate their wettability upon light radiation, could improve the exhausting manual labour in watering the harvest good in the agricultural industry. Therefore, it is of great importance that further research will be conducted upon the photoresponsive material, zinc oxide, in order to achieve more stable results. This study can be added to the relatively small area of knowledge around switchability phenomenon on textile substrates and can even been reported as one of the first attempts on developing a textile substrate with switchable and reversible characteristics, by use of a facile and possibly industrialized method.

Neste trabalho propomos uma investigação através de simulações de dinâmica molecular da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas, tanto dentro de nanotubos funcionalizados quanto em membranas bi-dimensionais para dessalinização. No caso da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas de nanotubos nós encontramos uma quebra na relação de Stokes-Einstein para a difusão e a viscosidade da água. Essa quebra ocorre para os menores nanotubos − em que pelo menos duas camadas de água formam-se, condição para deslizamento de camadas necessária para o cálculo da viscosidade. O mecanismo por trás deste comportamento é ditado pela estrutura da água confinada. Esse resultado indica que algumas das características observadas para a água dentro de nanotubos hidrofóbicos, como nanotubos de carbono na natureza, são únicas. Encontramos uma grande dependência da dinâmica e estrutura da água confinada com as características polares do nanotubo, principalmente para nanotubos com diâmetros menores que 1 nm. Ao variarmos a temperatura do sistema, observamos ainda uma forte dependência da estruturação das moléculas de água com a temperatura, a ponto de apresentar transições entre estados mais e menos ocupados Nossos resultados de dinâmica molecular também mostram que membranas contendo nanoporos com sítios hidrofílicos entre regiões hidrofóbicas podem apresentar grande fluxo de água e reduzido transporte de íons, o que torna esses materiais excelentes candidatos para sistemas de dessalinização e limpeza de metais pesados. Ao acrescentarmos um químico floculante (cloreto de ferro) à água salgada, encontramos resultados ainda melhores para a rejeição de sal pelas membranas nanoporosas. Todos esses resultados demonstram a importância do estudo das propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas em interfaces aquosas. Em todos os casos, encontramos uma dependência inerente das propriedades de transporte da água com a característica polar da superfície de contato. / In this work we have proposed an investigation through molecular dynamics (MD) simulations of the water behavior at hydrophobic and hydrophilic surfaces in both functionalyzed nanotubes and two-dimensional nanpores. In the case of water at hydrophobic and hydrophilic nanotube surfaces, we have found a breakdown of the Stokes-Einstein relation for diffusion and viscosity of water confined in narrow hydrophobic nanopores. The mechanism underlying this behavior is dictated by the structure of water under confinement. This result indicates that some of the features observed for water inside hydrophobic carbon nanotubes cannot be observed in other nanopores. We have also found an important dependence of the water dynamics with the polar character of the nanotube, mostly for small diameters. By varying the temperature, both the dynamics and the water structuration are affected, presenting transitions between dense-packed and low-density states. Our results also shows that nanoporous membranes, with hydrophilic sites sandwiched between hydrophobic regions, can present an important flux of water molecules and reduced ion transportation, making these structures promising for desalination processes. By adding a flocculant ingredient (ferric chloride) to the salt water, we found even larger ion rejection rates. All the results point out the importance of studying hydrophilic and hydrophobic interfaces for water transport. In all the cases, we have found an ubiquitous dependence of water dynamic properties on the surface polarity.