The subject of the thesis is the design and implementation of a modular control system environment, which could be used in robotics. Both autonomous and guided robots are supported. The higher-level software com- ponents like localization, steering, decision making, etc. are effectively sepa- rated from the underlying hardware devices and their communication protocols in the environment. Based on the layered design, hardware-independent algo- rithms can be implemented. These can run on different hardware platforms just by exchanging specific device drivers. Written in C++ using standard libraries, the final software is highly portable and extensible. Support for new platforms and hardware modules can be implemented easily. The whole sys- tem was tested on two robots and the particular instances of the systems built using this development environment are included in the solution and partially described in the thesis.

The ability to encapsulate linear nanoparticle (NP) chains in scrolled nanosheets is an important advance in the formation of nanocomposites.These nanopeapods (NPPs) exhibit interesting properties that may not be achieved by individual entities. Consequently, to fully exploit the potential of NPPs, the fabrication of NPPs must focus on producing composites with unique combinations of morphologically uniform nanomaterials. Various methods can produce NPPs, but expanding these methods to a wide variety of material combinations can be difficult. Recent work in our group has resulted in the in situ formation of peapod-like structures based on chains of cobalt NPs. Building on this initial success, a more versatile approach has been developed that allows for the capture of a series of preformed NPs in NPP composites. In the following chapters, various synthetic approaches for NPPs of various material combinations will be presented and the key roles of various reaction parameters will be discussed. Also, uniform hexaniobate nanoscrolls were fabricated via a solvothermal method induced by heating up a mixture of TBAOH, hexaniobate crystallites, and oleylamine in toluene. The interlayer spacing of the nanoscrolls was easily tuned by varying the relative amount and chain lengths of the primary alkylamines. To fabricate NPPs, as-synthesized NPs were treated with hexaniobate crystallite in organic mixtures via solvothermal method. During solvothermal treatment, exfoliated hexaniobate nanosheets scroll around highly ordered chains of NPs to produce the target NPP structures in high yield. Reaction mixtures were held at an aging temperature for a few hours to fabricate various new NPPs (Fe3O4@hexaniobate, Ag@hexaniobate, Au@hexaniobate, Au-Fe3O4@hexaniobate, TiO2@hexaniobate, CdS@hexaniobate, CdSe@hexaniobate, and ZnS@hexaniobate). This versatile method was first developed for the fabrication of magnetic peapod nanocomposites with preformed nanoparticles (NPs). This approach is effectively demonstrated on a series of ferrite NPs (≤ 14 nm) where Fe3O4@hexaniobate NPPs are rapidly (~ 6 h) generated in high yield. When NP samples with different sizes are reacted, clear evidence for size selectivity is seen. Magnetic dipolar interactions between ferrite NPs within the Fe3O4@hexaniobate samples leads to a significant rise in coercivity, increasing almost four-fold relative to free particles. Other magnetic ferrites NPPs, MFe2O4@hexaniobate (M = Mn, Co, Ni), can also be prepared. This synthetic approach to nanopeapods is quite versatile and should be readily extendable to other, non-ferrite NPs or NP combinations so that cooperative properties can be exploited while the integrity of the NP assemblies is maintained. Further, this approach demonstrated selectivity by encapsulating NPs according to their size. The use of polydispersed NP systems is also possible and in this case, evidence for size and shape selectivity was observed. This behavior is significant in that it could be exploited in the purification of inhomogeneous NP samples. Other composite materials containing silver and gold NPs are accessible. Partially filled Fe3O4@hexaniobate NPPs were used as templates for the in situ growth of gold to produce the bi-functional Au- Fe3O4@hexaniobate NPPs. Encapsulation of Ag and Au NP chains with a hexaniobate nanoscroll was shifted the surface plasmon resonance to higher wavelengths. In these composites NPs can be incorporated to form NPP structures, decorated on nanosheets before scrolling, or attached to the surfaces of the nanoscrolls. The importance of this advancement is the promise it holds for the design and assembly of active nanocomposites. One can create important combinations of nanomaterials for potential applications in a variety of areas including catalysis, solar conversion, thermoelectrics, and multiferroics.

Zeolites have been widely used in many different fields including catalysis, adsorption and separation, ion exchange, or gas storage. Conventional zeolites have three- dimensional (3D) structures with microporous channel system; typical pore sizes are well below 1 nanometer, therefore, diffusion limitation plays important role in many process and bulkier reactants (or products) cannot enter (or leave) the zeolite channel system. Two-dimensional (2D) zeolites prepared in last years can lift all diffusion limitation and they thus offer a very attractive alternative to conventional 3D zeolites. 2D zeolites attracted considerable attention on the experimental side; however, understanding of 2D zeolites based on computational investigation or on a combination of experimental and computational investigation is limited. A motivation for the computational work presented here is to improve our understanding of properties of 2D zeolites based on computational investigation. The originality of the research presented herein is in the strategy: we carried out systematic investigation of properties of corresponding 2D and 3D zeolites and we focus on the identification of similarities and differences. The most important zeolite properties, i.e., presence of Brønsted and Lewis acid sites, are investigated. A number of...

Hypersaline tidal flats (HTFs) are transitional ecosystems commonly occurring in arid and semiarid coastal areas. (e.g. Australia and New Caledonia), Africa (e.g. Senegal, Gambia, and Madagascar), Central America (e.g. Nicaragua), South America (e.g. Ecuador and on the north, northeast, and southeast Brazilian coasts). Due to their location, HTFs might exert biogeochemical control over cycling of nutrients (e.g. Fe and Si) across the land to ocean transition, accelerating or retarding the nutrient export to the ocean and other adjacent ecosystems. This biogeochemical control is governed by soil physicochemical conditions (e.g. pH and salinity) and pedogenesis (e.g. redox processes). Thus, study of the soil coloidal fraction, the pedogenic processes, and the distribution of Si in the different soil components can provide a detailed characterization of HTF soils and give insights into the Si dynamics in these environments. In view of this, two HTFs on the Brazilian coast were studied on the Brazilian coast and the data are presented here. The first chapter aims to investigate the pedogenesis in HTF soils based on detailed morphological descriptions and Fe and Mn sequential extractions. The second chapter discusses silicon geochemistry in HTF soils based on sequential extractions, SEM, and XRD modeling of the fine clay fraction. And lastly, the third one reports the characteristics, distribution, and genesis of clay minerals in HTF soils on the basis of XRD modeling, TEM-EDS, FTIR, and XRF analysis. Redox reactions control the pedogenic evolution in HTF soils. These processes lead to a mobilization of Fe2+ and Mn2+ upward in the soils profiles, followed by oxidation and precipitation of Fe and Mn oxyhydroxides. These reactions, along with pyrite oxidation, lead to a transformation of the deeper soil horizons. Formation of Fe oxyhydroxides in the uppermost soil horizons exerts control on Si dynamics by co-precipitation and adsorption reactions. Together, Si associated with Fe oxyhydroxides and amorphous silicates are the main components of the readily soluble Si pool in HTF soils. The environmental conditions are conducive to clay transformations in the soils. Our data indicate that kaolinite is progressively altered to Mg-rich smectite through mixed-layering, withdrawing Si from the soil porewater. / Planícies hipersalinas costeiras (PHCs) são ecossistemas transicionais comumente encontrados em regiões áridas e semiárias. Estes ambientes são encontrados em várias regiões do mundo, tais como Oceania (e.g. Austrália e Nova Caledónia), África (e.g. Senegal, Gambia e Madagascar), América Central (e.g. Nicarágua), América do Sul (e.g. Equador e as costas norte, nordeste e sudeste do Brasil). Por estarem posicionados na transição entre os ecossistemas marinhos e de terras altas, os solos de PHCs devem exercer um controle biogeoquímico na ciclagem de nutrientes (e.g. Si e Fe), afetando o fluxo dos mesmo para o oceano e ecossitemas adjacentes. Este controle biogeoquímico é governado pelas condições fisico-químicas do meio (e.g. pH e salinidade) e pelos processos pedogenéticos atuantes nos solos (e.g. processos redox). Desta forma, o estudo da fração coloidal, da pedogênese e da distribuição do Si nos diferentes componentes do solo possibilita caracterizar detalhadamente os solos de PHCs e desvendar os processos que controlam a dinâmica de Si no ambiente. Portanto, duas PHCs localizadas na costa brasileira foram estudadas e os resultados estão apresentados em três capítulos nesta tese. O primeiro capítulo teve por objetivo investigar a pedogênese em PHCs com base em estudos morfológicos e extrações sequenciais de Fe e Mn. O segundo discute a geoquímica de silício nos solos com base em extrações sequenciais, MEV e modelagem de raios-X da fração argila fina. O terceiro capítulo discorre sobre as características, distribuição e gênese de argilominerais nos solos com base em modelagem de raios-X, MET-EDS, FTIR e FRX. As reações redox parecem controlar a evolução pedogenética nestes solos, as quais levam à mobilização ascendente de Fe2+ e Mn2+ nos perfis, oxidação da pirita e, consequentemente, transformação dos horizontes mais profundos. Estes processos também são responsáveis pela formação de oxihidróxidos de Fe e Mn nos horizontes superiores dos perfis de solo, levando à um controle do Si por reações de co-precipitação e adsorção envolvendo oxihidróxidos de Fe. O Si associado aos oxihidróxidos de Fe e silicatos amorfos são os principais componentes da fração mais solúvel de Si nos solos estudados. As condições ambientais nas PHCs são favoráveis às transformações minerais. Os dados indicam que a caulinita é alterada para esmectitas magnesianas por processos de interestratificação, removendo Si da solução do solo.

Esta tese se insere no contexto da química prebiótica, que estuda a evolução química que ocorreu antes do surgimento da vida na Terra. Tal área pertence ao ramo de pesquisa da Astrobiologia, que estuda o surgimento, a evolução, distribuição e futuro da vida na Terra ou em outro lugar do Universo. Dentre as várias hipóteses abordadas na química prebiótica, a hipótese mineral é foco de estudo deste trabalho, ou seja, se os minerais podem ter agido como preconcentradores ou protetores de moléculas biologicamente relevantes para a química prebiótica e como catalisadores de reações. A classe mineral de hidróxidos duplo lamelares (HDL) é estudada inicialmente considerando se sua síntese seria possível em um ambiente prebiótico. Desta forma, o HDL foi sintetizado por dois métodos de síntese (coprecipitação e reconstrução) e em quatro composições distintas de água do mar sintética, que mimetizam diferentes fases geológicas da Terra, os resultados mostraram a formação deste mineral em todas as composições de água do mar analisadas. Posteriormente, o estudo da interação de biomoléculas com HDL foi feito visando caracterizar se estas poderiam estar inseridas no espaço interlamelar deste mineral. O íon tiocianato, precursor de biomoléculas, e as bases nitrogenadas adenina, timina, e uracila mostraram-se presentes nas amostras de HDL sintetizadas pelos dois métodos, coprecipitação e reconstrução. As amostras foram caracterizadas por difratometria de raios X, análise termogravimétrica, análise elementar e por espectroscopia vibracional, Raman e no infravermelho. Embora os resultados iniciais indiquem que as biomoléculas possam estar interagindo com o mineral por adsorção e não necessariamente estejam intercaladas, estudos com lavagem das amostras com carbonato de sódio mostraram a troca iônica das biomoléculas pelo ânion inorgânico e sugerem que estas encontravam-se realmente no espaço interlamelar do mineral. Foram feitas então simulações de ambientes extremos nos sistemas HDL + biomoléculas para avaliar se a presença do mineral aumenta a estabilidade das biomoléculas frente a aquecimento, radiação UVC e radiação ionizante já que tais condições extremas estariam presentes na Terra primitiva / This thesis subject is related to prebiotic chemistry, which studies the chemical evolution that happened before the origin of life on Earth. This subject belongs to the Astrobiology research area, which studies the origin, evolution, distribution and future of life on Earth and elsewhere in the Universe. Among the many hypothesis that prebiotic chemistry encompass, the mineral hypothesis is the aim of this thesis, that is, if minerals could have had a role in preconcentrating and protecting molecules relevant to prebiotic chemistry, and also if they could have acted as catalists. The layered double hydroxide (LDH) minerals are studied and the first question is if they could have been synthetized in a prebiotic environment. Four different seawater compositions are analyzed, considering many geological periods of Earth, and two synthesis methods were studied: coprecipitation and reconstruction. The results showed that the LDHs are formed in all seawater types studied. Following these studies, we discuss whether biomolecules could be in the interlayer space of this mineral. Thiocyanate, a biomolecule precursor, and the nucleic acids adenine, thymine and uracil were present in the LDH samples synthetized either by coprecipitation and reconstruction, and they were characterized by X-Ray diffraction, thermogravimetric analysis, elemental analysis and by vibrational spectroscopy: IR and Raman. Although the preliminary results showed that the biomolecules are not necessarily intercalated, but may simply be adsorbed on the minerals, after washing with a sodium carbonate solution, the biomolecules were replaced by the inorganic anion, suggesting that the former was in fact intercalated in the mineral. Extreme conditions simulations were then performed on the LDH plus biomolecules systems to evaluate whether the mineral may act as a protector and stabilize the biomolecules when these were heated or irradiated with UV-C and ionizing radiation, since such scenarios would be common on early Earth

Os hidróxidos duplos lamelares (HDLs) são matrizes inorgânicas bidimensionalmente estruturadas que apresentam propriedades diversas e interessantes para a formação de materiais híbridos. Em especial na área medicinal e farmacológica, o emprego de HDLs com lamelas contendo os íons Mg/Al e Zn/Al tem mostrado resultados promissores como antiácidos e como carregadores de fármacos. Por outro lado, anti-inflamatórios não esteroidais como o sulindaco são moléculas orgânicas ionizáveis que podem ser intercalados em HDLs levando à formação de materiais híbridos com potencial para uso na área farmacêutica. Este trabalho consistiu na síntese e na caracterização de materiais híbridos baseados em matrizes de HDLs de ZnRAl e MgRAl (R é a razão molar MII/Al) e o ânion derivado do fármaco sulindaco (abreviados M2IIAl-Sul). Foram avaliadas as condições experimentais mais apropriadas para a obtenção de materiais com alta cristalinidade e alto conteúdo do fármaco. Os materiais híbridos preparados por um método simples de coprecipitação (one pot) à temperatura ambiente e a 55°C apresentaram capacidade de carregamento de 50 a 55% (em massa) de sulindaco. Os difratogramas de raios X dos híbridos M2IIAl-Sul indicaram a formação de materiais mais cristalinos a 55°C, com várias reflexões basais indicando alto grau de organização das lamelas e distância interplanar de cerca de 2,74 nm. O arranjo bidimensional interdigitado dos ânions sulindaco entre as lamelas foi proposto através do mapa de densidade eletrônica unidimensional (1D Plot). A análise morfológica por microscopias eletrônicas de varredura e transmissão revelou a formação de estruturas nanométricas planas, flexíveis e desordenadas no caso do Mg2Al-Sul; as partículas de Zn2Al-Sul também apresentam nanoscrolls, com cerca de 100 nm de diâmetro, uma morfologia que não havia sido reportada até então para HDLs. Os espectros vibracionais no infravermelho dos materiais híbridos mostraram bandas típicas do sulindaco atribuídas ao vS=O em 1011 e 1039 cm-1, ao vC-F em 1163 cm-1 e bandas referentes aos estiramentos antissimétrico e simétrico do grupo COO- em aproximadamente 1564 e 1394 cm-1, que confirmam a presença do sulindaco na forma aniônica no sistema híbrido. Deslocamentos de picos observados nos espectros de ressonância magnética nuclear de carbono-13 no estado sólido sugerem que o confinamento entre as lamelas promove alterações na densidade de carga da espécie orgânica. As técnicas espectroscópicas confirmam a manutenção da integridade química do fármaco após o processo de intercalação. As atribuições dos espectros vibracionais e de ressonância magnética nuclear foram efetuadas com o auxílio do método da Teoria do Funcional de Densidade (DFT) para a espécie orgânica. A avaliação do comportamento térmico por termogravimetria acoplada à calorimetria exploratória diferencial e à espectrometria de massas (TG-DTA-MS) evidencia sensível aumento na estabilidade térmica do fármaco intercalado em matriz de Zn2Al. Esse fato foi interpretado através da análise dos espectros vibracionais de amostras aquecidas a 250°C. Propõe-se que a desidroxilação das lamelas do HDL de zinco promove a coordenação do grupo carboxilato do ânion sulindaco ao metal divalente, aumentando sua estabilidade térmica. Os ensaios de dissolução in vitro evidenciam um mecanismo difusional de liberação modificada (prolongada) do fármaco a partir do material híbrido, que ocorre em cerca do dobro do tempo observado para o sulindaco não intercalado. Resultados preliminares de estudo in vivo de pastilhas dos materiais híbridos implantadas em região intramuscular de ratos atestam a biocompatibilidade e a antigenicidade dos materiais HDL-Cl e dos híbridos HDL-Sul. / Layered double hydroxides (LDHs) are two-dimensionally structured inorganic matrices that show diverse and interesting properties for hybrid materials development. Particularly in the medical and pharmaceutical area, the use of LDHs with layers containing Zn/Al and Mg/Al ions has shown promising results. On the other hand, nonsteroidal drugs such as sulindac are ionizable organic molecules that can be intercalated into LDH leading to the formation of hybrid materials with potential usage in the pharmaceutical area. This work involved the synthesis and characterization of hybrid materials based on matrices of LDHs ZnRAl and MgRAl (R is the MII/Al molar ratio) and the anion derived from the sulindac drug (abbreviated M2IIAl-Sul). The most suitable experimental conditions for obtaining materials with high crystallinity and also high drug contents were evaluated. Hybrid materials prepared by a simple coprecipitation method (one pot) at room temperature and 55 °C showed loading capacity of about 50 - 55% (by mass) of sulindac. X-ray diffraction revealed the formation of higher crystalline materials at 55 °C; various basal reflections indicate a high degree of layers stacking and an interlayer distance of about 2.74 nm to M2IIAl-Sul hybrids. A two-dimensional array of interdigitated sulindac anions between the layers was proposed by one-dimensional electron density map (1D Plot). The morphological analysis by electronic scanning and transmission microscopies revealed the formation of flat, flexible and disordered nanoscale structures in the case of Mg2Al-Sul; nanoscrolled particles of about 100 nm in diameter are also present in Zn2Al-Sul sample, a morphology which had not been reported so far for LDHs. The vibrational spectra of hybrid materials in the infrared showed the characteristic sulindac bands assigned to vS=O at 1011 and 1039 cm-1, the vCF at 1163 cm-1 and bands related to the antisymmetric and symmetric stretching of the -COO- group at approximately 1564 and 1394 cm-1 which confirmed the presence of the anion sulindac in the hybrid system. Shift peaks observed in carbon-13 nuclear magnetic resonance spectra in solid state suggest that the confinement between the layers promotes variations in the organic species charge density. Spectroscopic techniques confirm the maintenance of the chemical integrity of the drug after the intercalation process. The spectral assignments of the organic species were supported by Density Functional Theory (DFT). The evaluation of the thermal behavior by thermogravimetry coupled with differential scanning calorimetry and mass spectrometry (TG-DSC-MS) shows substantial increase in the thermal stability of the drug intercalated into Zn2Al matrix. This effect was interpreted by analysis of vibrational spectra of samples calcined at 250 °C. It is proposed that dehydroxylation of the Zn2Al layers promotes the coordination of the sulindac carboxylate group to the divalent metal. In vitro dissolution tests of hybrid material show a diffusional mechanism of modified drug release (sustained), which occurs in about twice the time observed for sulindac not intercalated. Preliminary results from in vivo study of hybrid materials\' pellets implanted in the intramuscular region of rats attest to biocompatibility and antigenicity of LDH-Cl and LDH-Sul hybrid materials

Compostos lamelares do tipo da hidrotalcita ou hidróxidos duplos lamelares (HDL), são materiais que possuem notáveis propriedades estruturais, químicas, eletrônicas, iônicas, ópticas e magnéticas. Em função dessas propriedades, os HDL apresentam uma diversidade de aplicações tais como adsorventes e catalisadores. Este trabalho tem por objetivo utilizar polímeros e macromoléculas na preparação e caracterização de HDL, visando melhorar as propriedades texturais dos HDL de MgAl-CO3 preparados em meio contendo polímeros orgânicos ou a intercalação direta de dendrímeros tipo PAMAM de gerações -0,5 e +0,5 em HDL do sistema Zn/Al. Os HDL de MgAl-CO3 foram preparados pela adaptação do método de coprecipitação a pH decrescente, com a presença de polímeros solubilizados no meio, como molde. Os materiais foram caracterizados por difração de Raios X, análise termogravimétrica, espectroscopia no infravermelho e medidas de área superficial por BET. Baseando-se nos resultados obtidos, pode-se concluir que propriedades texturais dos HDL preparados são modificadas, quando na presença de alguns polímeros. Na maioria dos casos, os valores calculados de área superficial específica foram mais elevados, em comparação com aquele obtido para o HDL preparado em meio reacional sem polímero. Isto pode ser explicado pela diminuição do tamanho de partículas e aumento no diâmetro médio de poros dos materiais preparados, provocada pela presença de polímeros no meio reacional. Os HDL intercalados com dendrímeros PAMAM G-0,5 e PAMAM G+0,5 foram preparados por duas rotas diferentes: coprecipitação a pH constante e troca iônica em fase dupla. Os materiais obtidos foram caracterizados por meio de difração de Raios X, análise de termogravimétrica associada à espectrometria de massas e espectroscopia no infravermelho. Utilizando os dois procedimentos de preparação, a intercalação de PAMAM G-0,5 deu origem a HDL com os mesmos espaçamentos basais, concordando com a intercalação dos ânions do dendrímero em um arranjo perpendicular à lamela do HDL, enquanto que para a intercalação do PAMAM G+0,5, espaçamentos basais muito menores do que o tamanho da molécula foram obtidos. A diferença entre a distância interlamelar observada e a esperada pode ser explicada por um arranjo peculiar das moléculas desse dendrímero em uma forma elipsoidal, devido às interações intramoleculares. Espectros no infravermelho confirmam a presença dos dendrímeros nos materiais Zn2Al-PAMAM G-0,5 e Zn2Al-PAMAM G+0,5. Finalmente, a presença destes dendrímeros foi confirmada por análise térmica associada com espectrometria de massas. Os estudos de Raios X com variação de temperatura in situ e as análises termogravimétricas revelaram que o material obtido pela intercalação do PAMAM G+0,5 é termicamente menos estável do que aquele intercalado com PAMAM G-0,5, concordando com a diferença de estabilidade entre os dendrímeros livres. / Hydrotalcite-like lamellar compounds or layered double hydroxides (LDH) are materials that present notable structural, chemical, electronic, ionic, optical and magnetic properties. Depending on these properties, the LDH present a great variety of applications such as adsorbents and catalysts. The aim of this work is to prepare and to characterize MgAl-CO3-LDH prepared in aqueous media containing organic polymer to improve textural properties, and to prepare HDL by intercalation of dendrimer (PAMAM) of generations -0.5 and +0.5 in ZnAl-HDL. MgAl-CO3-HDL samples were prepared by an adaptation of the coprecipitation method at decreasing pH, with the presence of polymers in the aqueous media as template. The materials were characterized by powder X-ray diffraction, termogravimetric analysis, infrared spectroscopy and BET isotherms. Based on the obtained results, it can be concluded that the textural properties of the prepared LDH were modified. The calculated values of specific surface area were higher in most of the cases compared with those obtained by the LDH prepared without polymer due to a decrease of the particle size and an increase in the average pore diameter of the prepared materials due to the presence of polymers. HDL with intercalated (PAMAM) dendrimers G-0.5 and G+0.5 were prepared by two different methods: coprecipitation at constant pH, and ionic exchange in double phase. The obtained materials were characterized by powder X-ray diffraction, thermal gravimetric analysis associated with mass spectrometry, and infrared spectroscopy. X-ray powder diffraction patterns exhibit the characteristic profiles of the lamellar materials with basal spacing depending on the nature of the dendrimer. For both preparation methods, the intercalation of PAMAM G-0.5 gives rise to LDH with basal spacing in agreement with the dendrimer molecules perpendicular to the layer of the host structure, while for PAMAM G+0.5 a basal spacing smaller than the molecule size was obtained. The difference between the obtained and the expected value is explained by an accommodation of the dendrimer molecule in an ellipsoidal shape, due to the intra-molecular interactions. Infrared spectra confirm the presence of dendrimers in the Zn2Al-PAMAM G-0.5 and Zn2Al-PAMAM G+0.5 materials. Finally, thermal analyses associated with mass spectrometry confirm the presence of these dendrimers. Powder X-ray diffraction with in situ temperature variation reveals that the material obtained by the PAMAM G+0.5 intercalation is thermally less stable than that prepared by PAMAM G-0.5 intercalation, in agreement with the difference in the thermal stability of the free dendrimers.

Entender como se originou a vida é um dos desafios propostos pela astrobiologia. Este trabalho busca compreender como argilas aniônicas do tipo hidróxidos duplos lamelares (LDH) interagem com alguns aminoácidos quando submetido a condições presentes no passado do nosso planeta. Para tanto, foi estudada a interação dos aminoácidos cisteína (cys), cistina (cyss) e ácido glutâmico (glu) com duas variações de LDHs: hidrotalcita, que consistem em um LDH de Mg e Al (LDHal), e as piroauritas, um LDH de Mg e Fe III (LDHfe). Os LDHs foram sintetizados com cada um dos três aminoácidos por coprecipitação (cop) e reconstrução (rec). Todos os compostos produzidos foram submetidos a irradiação com UV-C (254 nm), longa exposição à temperatura de 70 °C e ciclos de hidratação e dessecação a 70 °C, tentando simular condições próximas à Terra primitiva. Os resultados obtidos indicam que os aminoácidos estão presentes no espaço interlamelar dos LDHs. Sendo que os LDHfe e os LDHal_glu se mostraram mais inertes, não sofrendo variações significativas com as simulações prebióticas. Para os LDHal_cys ocorreu a formação de ligações do tipo S-S durante a síntese; a irradiação UV-C afetou de maneira distinta os LDHs cop e rec, sendo que apenas nos reconstruídos ocorreu a formação de SO4-2. A simulação de temperatura causou o rompimento das ligações S-S e a formação de ligações S-H, enquanto os ciclos de hidratação, ao que tudo indicam, acarretam a liberação da cisteína do meio interlamelar. Essas características presentes no LDHal_cys estão, em partes, também presentes para os LDHal_cyss. De maneira geral, os LDHs são eficientes na intercalação de aminoácidos e estáveis quanto à temperatura e, em alguns casos, a radiação UV-C. Desta forma os LDHs se mostram como um mineral que pode ter tido a sua importância na Terra prebiótica, sendo aptos a atuar na retenção de aminoácidos, resistência a algumas das condições presentes e com a possibilidade de liberar estas biomoléculas novamente no ambiente, tornando-as disponíveis para o aumento de complexidade química / Understanding how life originated is one of the challenges proposed by astrobiology. This work aims to understand how layered double hydroxides (LDH), a type of anionic clay, may interact with amino acids when submitted to conditions present in prebiotic Earth. It was studied the interaction between amino acids cysteine (cys), cystine (cyss) and glutamic acid (glu) with two LDHs variations: hydrotalcite, LDH of Mg and Al (LDHal), and pyroaurite, a LDH of Mg and Fe III (LDHfe). LDHs were synthesized with each of the three amino acids by coprecipitation (cop) and reconstruction (rec). All the LDHs produced were submitted to UV-C irradiation (254 nm), long exposure to the temperature of 70 °C and cycles of hydration and desiccation at 70 °C, trying to simulated the conditions presents in primordial Earth. The results indicate that amino acids are present in the interlayer region of LDHs. Since LDHfe and LDHal_glu were shown to be more inert, they did not undergo significant variations with the prebiotic simulations. For LDHal_cys the formation of S-S type bonds occurred during the synthesis; the UV-C irradiation differently affected the LDHs cop and rec, being that only in the reconstructed the formation of SO4-2 occurred. The temperature simulation induced breakage of the S-S bonds and formation of S-H bonds, whereas the hydration cycles leaded to the release of cysteine from the interlamellar space. These features present in LDHal_cys are, partially, also present for the LDHal_cyss. In general, LDHs are efficient in the intercalation of amino acids, stable in temperature and, in some cases, to UV-C radiation. In this manner, the LDHs may have been important minerals in the prebiotic Earth, being able to act in the retention of amino acids, resisting to some of the prevailing conditions and possibly releasing these biomolecules back into the environment, making them available for increasing chemical complexity

Esta tese se insere no contexto da química prebiótica, que estuda a evolução química que ocorreu antes do surgimento da vida na Terra. Tal área pertence ao ramo de pesquisa da Astrobiologia, que estuda o surgimento, a evolução, distribuição e futuro da vida na Terra ou em outro lugar do Universo. Dentre as várias hipóteses abordadas na química prebiótica, a hipótese mineral é foco de estudo deste trabalho, ou seja, se os minerais podem ter agido como preconcentradores ou protetores de moléculas biologicamente relevantes para a química prebiótica e como catalisadores de reações. A classe mineral de hidróxidos duplo lamelares (HDL) é estudada inicialmente considerando se sua síntese seria possível em um ambiente prebiótico. Desta forma, o HDL foi sintetizado por dois métodos de síntese (coprecipitação e reconstrução) e em quatro composições distintas de água do mar sintética, que mimetizam diferentes fases geológicas da Terra, os resultados mostraram a formação deste mineral em todas as composições de água do mar analisadas. Posteriormente, o estudo da interação de biomoléculas com HDL foi feito visando caracterizar se estas poderiam estar inseridas no espaço interlamelar deste mineral. O íon tiocianato, precursor de biomoléculas, e as bases nitrogenadas adenina, timina, e uracila mostraram-se presentes nas amostras de HDL sintetizadas pelos dois métodos, coprecipitação e reconstrução. As amostras foram caracterizadas por difratometria de raios X, análise termogravimétrica, análise elementar e por espectroscopia vibracional, Raman e no infravermelho. Embora os resultados iniciais indiquem que as biomoléculas possam estar interagindo com o mineral por adsorção e não necessariamente estejam intercaladas, estudos com lavagem das amostras com carbonato de sódio mostraram a troca iônica das biomoléculas pelo ânion inorgânico e sugerem que estas encontravam-se realmente no espaço interlamelar do mineral. Foram feitas então simulações de ambientes extremos nos sistemas HDL + biomoléculas para avaliar se a presença do mineral aumenta a estabilidade das biomoléculas frente a aquecimento, radiação UVC e radiação ionizante já que tais condições extremas estariam presentes na Terra primitiva / This thesis subject is related to prebiotic chemistry, which studies the chemical evolution that happened before the origin of life on Earth. This subject belongs to the Astrobiology research area, which studies the origin, evolution, distribution and future of life on Earth and elsewhere in the Universe. Among the many hypothesis that prebiotic chemistry encompass, the mineral hypothesis is the aim of this thesis, that is, if minerals could have had a role in preconcentrating and protecting molecules relevant to prebiotic chemistry, and also if they could have acted as catalists. The layered double hydroxide (LDH) minerals are studied and the first question is if they could have been synthetized in a prebiotic environment. Four different seawater compositions are analyzed, considering many geological periods of Earth, and two synthesis methods were studied: coprecipitation and reconstruction. The results showed that the LDHs are formed in all seawater types studied. Following these studies, we discuss whether biomolecules could be in the interlayer space of this mineral. Thiocyanate, a biomolecule precursor, and the nucleic acids adenine, thymine and uracil were present in the LDH samples synthetized either by coprecipitation and reconstruction, and they were characterized by X-Ray diffraction, thermogravimetric analysis, elemental analysis and by vibrational spectroscopy: IR and Raman. Although the preliminary results showed that the biomolecules are not necessarily intercalated, but may simply be adsorbed on the minerals, after washing with a sodium carbonate solution, the biomolecules were replaced by the inorganic anion, suggesting that the former was in fact intercalated in the mineral. Extreme conditions simulations were then performed on the LDH plus biomolecules systems to evaluate whether the mineral may act as a protector and stabilize the biomolecules when these were heated or irradiated with UV-C and ionizing radiation, since such scenarios would be common on early Earth

Os hidróxidos duplos lamelares (HDLs) são matrizes inorgânicas bidimensionalmente estruturadas que apresentam propriedades diversas e interessantes para a formação de materiais híbridos. Em especial na área medicinal e farmacológica, o emprego de HDLs com lamelas contendo os íons Mg/Al e Zn/Al tem mostrado resultados promissores como antiácidos e como carregadores de fármacos. Por outro lado, anti-inflamatórios não esteroidais como o sulindaco são moléculas orgânicas ionizáveis que podem ser intercalados em HDLs levando à formação de materiais híbridos com potencial para uso na área farmacêutica. Este trabalho consistiu na síntese e na caracterização de materiais híbridos baseados em matrizes de HDLs de ZnRAl e MgRAl (R é a razão molar MII/Al) e o ânion derivado do fármaco sulindaco (abreviados M2IIAl-Sul). Foram avaliadas as condições experimentais mais apropriadas para a obtenção de materiais com alta cristalinidade e alto conteúdo do fármaco. Os materiais híbridos preparados por um método simples de coprecipitação (one pot) à temperatura ambiente e a 55°C apresentaram capacidade de carregamento de 50 a 55% (em massa) de sulindaco. Os difratogramas de raios X dos híbridos M2IIAl-Sul indicaram a formação de materiais mais cristalinos a 55°C, com várias reflexões basais indicando alto grau de organização das lamelas e distância interplanar de cerca de 2,74 nm. O arranjo bidimensional interdigitado dos ânions sulindaco entre as lamelas foi proposto através do mapa de densidade eletrônica unidimensional (1D Plot). A análise morfológica por microscopias eletrônicas de varredura e transmissão revelou a formação de estruturas nanométricas planas, flexíveis e desordenadas no caso do Mg2Al-Sul; as partículas de Zn2Al-Sul também apresentam nanoscrolls, com cerca de 100 nm de diâmetro, uma morfologia que não havia sido reportada até então para HDLs. Os espectros vibracionais no infravermelho dos materiais híbridos mostraram bandas típicas do sulindaco atribuídas ao vS=O em 1011 e 1039 cm-1, ao vC-F em 1163 cm-1 e bandas referentes aos estiramentos antissimétrico e simétrico do grupo COO- em aproximadamente 1564 e 1394 cm-1, que confirmam a presença do sulindaco na forma aniônica no sistema híbrido. Deslocamentos de picos observados nos espectros de ressonância magnética nuclear de carbono-13 no estado sólido sugerem que o confinamento entre as lamelas promove alterações na densidade de carga da espécie orgânica. As técnicas espectroscópicas confirmam a manutenção da integridade química do fármaco após o processo de intercalação. As atribuições dos espectros vibracionais e de ressonância magnética nuclear foram efetuadas com o auxílio do método da Teoria do Funcional de Densidade (DFT) para a espécie orgânica. A avaliação do comportamento térmico por termogravimetria acoplada à calorimetria exploratória diferencial e à espectrometria de massas (TG-DTA-MS) evidencia sensível aumento na estabilidade térmica do fármaco intercalado em matriz de Zn2Al. Esse fato foi interpretado através da análise dos espectros vibracionais de amostras aquecidas a 250°C. Propõe-se que a desidroxilação das lamelas do HDL de zinco promove a coordenação do grupo carboxilato do ânion sulindaco ao metal divalente, aumentando sua estabilidade térmica. Os ensaios de dissolução in vitro evidenciam um mecanismo difusional de liberação modificada (prolongada) do fármaco a partir do material híbrido, que ocorre em cerca do dobro do tempo observado para o sulindaco não intercalado. Resultados preliminares de estudo in vivo de pastilhas dos materiais híbridos implantadas em região intramuscular de ratos atestam a biocompatibilidade e a antigenicidade dos materiais HDL-Cl e dos híbridos HDL-Sul. / Layered double hydroxides (LDHs) are two-dimensionally structured inorganic matrices that show diverse and interesting properties for hybrid materials development. Particularly in the medical and pharmaceutical area, the use of LDHs with layers containing Zn/Al and Mg/Al ions has shown promising results. On the other hand, nonsteroidal drugs such as sulindac are ionizable organic molecules that can be intercalated into LDH leading to the formation of hybrid materials with potential usage in the pharmaceutical area. This work involved the synthesis and characterization of hybrid materials based on matrices of LDHs ZnRAl and MgRAl (R is the MII/Al molar ratio) and the anion derived from the sulindac drug (abbreviated M2IIAl-Sul). The most suitable experimental conditions for obtaining materials with high crystallinity and also high drug contents were evaluated. Hybrid materials prepared by a simple coprecipitation method (one pot) at room temperature and 55 °C showed loading capacity of about 50 - 55% (by mass) of sulindac. X-ray diffraction revealed the formation of higher crystalline materials at 55 °C; various basal reflections indicate a high degree of layers stacking and an interlayer distance of about 2.74 nm to M2IIAl-Sul hybrids. A two-dimensional array of interdigitated sulindac anions between the layers was proposed by one-dimensional electron density map (1D Plot). The morphological analysis by electronic scanning and transmission microscopies revealed the formation of flat, flexible and disordered nanoscale structures in the case of Mg2Al-Sul; nanoscrolled particles of about 100 nm in diameter are also present in Zn2Al-Sul sample, a morphology which had not been reported so far for LDHs. The vibrational spectra of hybrid materials in the infrared showed the characteristic sulindac bands assigned to vS=O at 1011 and 1039 cm-1, the vCF at 1163 cm-1 and bands related to the antisymmetric and symmetric stretching of the -COO- group at approximately 1564 and 1394 cm-1 which confirmed the presence of the anion sulindac in the hybrid system. Shift peaks observed in carbon-13 nuclear magnetic resonance spectra in solid state suggest that the confinement between the layers promotes variations in the organic species charge density. Spectroscopic techniques confirm the maintenance of the chemical integrity of the drug after the intercalation process. The spectral assignments of the organic species were supported by Density Functional Theory (DFT). The evaluation of the thermal behavior by thermogravimetry coupled with differential scanning calorimetry and mass spectrometry (TG-DSC-MS) shows substantial increase in the thermal stability of the drug intercalated into Zn2Al matrix. This effect was interpreted by analysis of vibrational spectra of samples calcined at 250 °C. It is proposed that dehydroxylation of the Zn2Al layers promotes the coordination of the sulindac carboxylate group to the divalent metal. In vitro dissolution tests of hybrid material show a diffusional mechanism of modified drug release (sustained), which occurs in about twice the time observed for sulindac not intercalated. Preliminary results from in vivo study of hybrid materials\' pellets implanted in the intramuscular region of rats attest to biocompatibility and antigenicity of LDH-Cl and LDH-Sul hybrid materials