Orientador: Oswaldo Luiz Alves / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T03:04:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Simoes_MateusBatista_M.pdf: 4986679 bytes, checksum: 2b115e73f65ae444a8545b2ab4b05173 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: As diferenças nas propriedades observadas considerando um material no seu estado bulk e na sua escala nanométrica são, possivelmente, a característica mais marcante e fascinante da nanotecnologia. Os carbon dots são nanomateriais baseados em carbono que apresentam fluorescência quando menores do que 10 nm, mas que podem fluorescer após tratamento da sua superfície, quando em partículas da ordem de até 100 nm. É interessante notar que o comprimento de onda no qual ocorrerá a fluorescência é dependente do tamanho das partículas. Assim, é possível modular a fluorescência controlando o tamanho dos carbon dots, os quais apresentam grande potencial para aplicação em fotocatálise, bioimagem, sensores e optoeletrônica, sendo possível funcionalizar estes materiais, objetivando uma aplicação in vivo, a fim de aumentar sua biocompatibilidade. As sínteses hidrotérmicas vêm despertando interesse para a obtenção dos carbon dots, por ser uma técnica simples, econômico e eficiente. Além disto, é possível obter materiais com grande homogeneidade e com controle de morfologia e tamanho, fatores estes que irão influenciar a fluorescência. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo estudar a influência das condições de síntese hidrotérmica na fluorescência dos carbon dots, realizar a funcionalização deste material e avaliar a capacidade de utilização in vivo do material por meio de ensaios de hemólise. Carbon dots foram obtidos por meio da carbonização hidrotérmica de glicose e as condições de síntese foram otimizadas utilizando-se um planejamento fatorial. Observou-se que temperatura e tempos de síntese elevados e uma menor concentração inicial da fonte de carbono leva a nanopartículas com maior rendimento quântico (variando entre 3,3 e 5,8%). Os carbon dots foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho, espectroscopia na região do ultravioleta-visível, microscopia eletrônica de transmissão, além de ter seu perfil de fluorescência estudado, sendo que o máximo de excitação ocorre na região do ultravioleta e o máximo de emissão na região do azul. Testes hemolíticos foram realizados com as nanopartículas que apresentaram maior rendimento quântico e mostraram que não há indução de hemólise, demonstrando que o material tem elevado potencial para aplicação in vivo. Por fim, utilizando-se as condições ótimas de síntese, carbon dots também foram obtidos por meio da carbonização hidrotérmica de pectina, demonstrando que o método de síntese é robusto e válido para fontes de carbono alternativas. Os carbon dots obtidos de pectina apresentam um rendimento quântico de 3,6% e foram caracterizados pelas mesmas técnicas utilizadas para os carbon dots de glicose / Abstract: The differences in observed properties considering a material in its bulk state and its nanoscale are possibly the most striking and fascinating feature of nanotechnology. Carbon dots are carbon-based nanomaterials that present fluorescence when smaller than 10 nm, but may fluoresce after treatment of its surface considering particles of the order of until 100 nm. Interestingly, the wavelength at which the fluorescence occurs is dependent on the particle size. Thus, it is possible to modulate the fluorescence controlling the size of the carbon dots, which have great potential for application in photocatalysis, bioimage, optoelectronics and sensors, being possible to functionalize these materials, aiming an application in vivo, in order to increase its biocompatibility. The hydrothermal syntheses have attracted interest for obtaining the carbon dots, being a simple, cheap and efficient technique. Moreover, it is possible to obtain materials with high homogeneity and controlled morphology and size, factors that will influence the fluorescence. Thus, the present work aimed to study the influence of the conditions of hydrothermal synthesis in the fluorescence of carbon dots, perform the functionalization of this material and evaluate the ability to in vivo use of the material by hemolytic trials. Carbon dots were obtained by hydrothermal carbonization of glucose and the synthesis parameters were optimized by a factorial design of experiments. It was observed that higher temperature and time of synthesis and a lower initial concentration of the carbon source leads to nanoparticles with a higher quantum yield (varying between 3.3 and 5.8%). The carbon dots were characterized by infrared spectroscopy, ultraviolet-visible spectroscopy, transmission electron microscopy, beyond to have its fluorescence profile studied, and it was observed that the maximum excitation occurs at the ultraviolet range and the maximum emission at the blue range of the spectrum. Hemolytic trials were performed with the nanoparticles of highest quantum yield, and the results showed that no hemolysis was provoked, demonstrating that he material have a raised potential to in vivo applications. Lastly, with the optimized synthesis parameters, carbon dots were also obtained by hydrothermal carbonization of pectin, evidencing that the synthesis protocol is robust and effectual to alternatives carbon sources. The carbon dots of pectin presented a quantum yield of 3.6% and were characterized by the same techniques utilized to the carbon dots of glucose / Mestrado / Quimica Inorganica / Mestre em Química

Nenhuma / Desde que as singulares propriedades mecânicas e condutoras dos nanotubos de carbono (NCs) estão associadas a tubos individuais isolados, a dispersão e estabilização de seus feixes em diferentes líquidos são de extrema importância em estudos fundamentais e aplicados. Solventes do tipo amida são atualmente considerados os melhores candidatos, dentre os solventes orgânicos, à dispersão quantitativa dos feixes de nanotubos, sendo que a funcionalização das paredes dos tubos favorece essa dispersão em determinados meios. Amostras brutas de nanotubos de carbono são compostas por feixes contendo até centenas de tubos com distribuição em diâmetro, comprimento, quiralidade e caráter eletrônico, unidos por interações de van der Waals. Para a dispersão desses feixes, o potencial atrativo entre os tubos deve ser balanceado por um potencial repulsivo. Assim, o custo energético das interações nanotubosolvente, que depende fortemente da composição química da superfície dos tubos e das propriedades dielétricas do meio, precisa ser entendido. Teorias de solubilidade têm sido recentemente aplicadas no entendimento dos sistemas nanotubo-solvente. Nelas, a dispersão é favorecida quando os parâmetros de solubilidade do soluto e do solvente têm valores próximos. Nos parâmetros de Hansen, contribuições de energias dispersivas (dd), dipolares (dp) e de ligação de hidrogênio (dh) são consideradas nas interações intermoleculares. O parâmetro de Flory-Huggins (χ) estima a diferença de interação entre o soluto e o solvente, podendo ser expresso em termos dos parâmetros de Hansen. Neste trabalho, apresentamos um estudo sistemático da dispersão de nanotubos de carbono de parede única, como preparados e funcionalizados com grupos ácidos contendo oxigênio, em solventes do tipo amida. As interações nanotubos-solvente foram analisadas em termos dos parâmetros de solubilidade de Hansen e de Flory-Huggins. Por refluxo em solução de HNO3 diluída, quantidades similares (~ 0,3 mmol/g C) de grupos ácidos carboxílicos e hidroxílicos foram covalentemente introduzidos à superfície dos tubos, sem criar defeitos adicionais ou destruir tubos de diâmetros menores. Os materiais de partida e funcionalizado foram amplamente caracterizados por termogravimetria, microscopia eletrônica de varredura e transmissão, titulação potenciométrica e espectroscopias por dispersão de energia, Raman, na região do infravermelho e de fotoelétrons excitados por raios X. As dispersões obtidas por sonificação/centrifugação dos NCs, antes e após funcionalização, em N-metilpirrolidona (NMP), N,N-dimetilformamida (DMF), N,N-dimetilacetamida (DMA), Ndodecilpirrolidona (N12P) e ciclohexilpirrolidona (CHP) foram caracterizadas por espectroscopia de absorção óptica na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). Em estudo de absorbância em função da concentração, foram estimados os limites de dispersão e os coeficientes de absorção dos nanotubos de carbono em cada solvente. A presença dos grupos funcionais aumentou a dispersabilidade dos tubos em NMP, DMF e DMA, mas diminuiu em N12P e CHP. Os coeficientes de absorção, entretanto, diminuíram para todos os solventes após oxidação, refletindo a diminuição da probabilidade da transição p-p* com a funcionalização e a interação com o solvente. Os parâmetros de solubilidade de Hansen e de interação de Flory-Huggins foram calculados para as amostras antes e após funcionalização, permitindo uma análise termodinamicamente quantitativa das interações intermoleculares nos sistemas estudados. Os valores dos parâmetros de Hansen obtidos para a amostra bruta foram dD = 18,0 MPa1/2, dP = 7,4 MPa1/2 e dH = 6,8 MPa1/2, enquanto aqueles para a amostra funcionalizada foram dD = 17,4 MPa1/2, dP = 12,0 MPa1/2 e dH = 9,2 MPa1/2. Em comparação com valores tabelados para os solventes, o parâmetro de energia dispersiva mostrou-se dominante na dispersão dos tubos não-funcionalizados, enquanto interações dipolares e ligações de hidrogênio exerceram uma maior influência na dispersão dos tubos funcionalizados com grupos oxigenados ácidos. Os parâmetros de interação de Flory-Huggins estimados mostraram que os sistemas com maior afinidade foram a amostra bruta dispersa no solvente CHP e a amostra funcionalizada dispersa nos solventes NMP, DMA e DMF.

Orientador: Douglas Soares Galvão / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-07T20:03:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_BrunoVieiradaCunha_M.pdf: 9990355 bytes, checksum: 99ae9e77c86e165f825dfcd49bc23de6 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico baseado em uma nova familia de nanoestruturas de carbono, as chamadas nanofitas de carbono. Estas consistem em fitas delgadas de grafeno com a singular característica de possuírem uma conformação de equilíbrio na forma espiral, a qual pode ser mais estável que a conformação planar, viabilizada pelo delicado equilíbrio de forças entre a interação de van der Waals e a tensão elástica gerada pelo empenamento. Sua proximidade topológica com as nanoespirais, das quais foram inspiradas, permite o estabelecimento de paralelos estruturais e funcionais que orientam o trabalho. Os métodos de cálculo consistem em mecânica e dinâmica molecular clássicas utilizando o campo de força reativo de Brenner. O modelo, construído de acordo com princípios quânticos incorporados de forma paramétrica, permite a descrição da formação e quebra de ligações químicas a partir de informações sobre o ambiente onde o átomo está inserido. As simulações indicam a viabilidade da obtenção de espirais a partir de fitas para baixas temperaturas, o que em princípio permite que estas substituam as nanoespirais em suas aplicações como nanoatuadores. A possibilidade de formação de anéis a partir de condições geométricas especiais também é explorada. A diversidade topológica e a viabilidade de obtenção de estruturas diferenciadas em função da temperatura constituem propriedades únicas com um potencial de aplicação no desenvolvimento de nanoestruturas de formato variável. Em relação às nanoespirais, o trabalho soluciona o problema da formação de estruturas cônicas em processos dinâmicos. / Abstract: This work presents a theoretical study based on a novel family of carbon nanostructures, the carbon nanobelts. These structures consists in narrow graphene stripes having the spiral form as one of its equilibrium configurations, which may be more stable than the planar conformation. This stability condition is determined by a delicate balance between the van der Waals interactions and the elastic tension generated by the bending. Its topological proximity with the nanoscrolls, from which they were inspired, allows the obtention of their common structural and functional features. The calculation methods consist in classical molecular mechanics and dynamics using the reactive Brenner forcefield. The model, constructed in accordance with quantum principles incorporated in a parametric form, allows the description of formation and broken of chemical bonds from the informations about the environment where the atoms are inserted. The simulations points to the viability of obtaintion of spirals from belts at low temperatures, what in principle allows the substitution of nanoscrolls in its applications as nanoactuators. The possibility of formation of rings from special geometric conditions is explorated. The topological diversity and the viability of obtention of differentiated structures as a function of the temperature constitute unique properties with a potential application in the development of variable shape nanostructures. In relation to nanoscrolls, this work solves the problem of formation of conical structures in dynamical processes. / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

A alta sensibilidade e a reprodutibilidade de sinal são características de dosímetros luminescentes opticamente estimulados, que instigam seu uso no controle da qualidade e dosimetria in vivo em Radioterapia. Nesse trabalho, amostras de Al2O3, Al2O3 (1%C) e Al2O3 com diferentes concentrações de terras-raras e de nanoestruturas de carbono foram estudadas para aplicação em Radioterapia. As amostras foram obtidas pelo processo manual de mistura e maceração e inseridas em cápsulas transparentes, com exceção do material Al2O3 (1%C), que foi obtido na forma de pastilhas. Os sinais OSL para todos os materiais testados apresentaram crescimento de resposta com a dose de radiação. A concentração de 0,02% apresentou maior intensidade de sinal para todos os materiais inseridos na alumina, com exceção do carbono grafite (1%). Os materiais foram caracterizados por diferentes técnicas, para análises espectroscópicas e estruturais. A sensibilidade OSL do material Al2O3 (1%C) foi investigada para feixes de elétrons de 5 a 12 MeV, para feixe de fótons de 6 MV e para uma fonte de Irídio-192. Diferentes características dosimétricas OSL dos materiais Al2O3 (0,02%Eu), Al2O3 (0,02%Tb), Al2O3 (0,02%ntC), Al2O3 (0,02%npC) foram investigadas para feixes de fótons de 50 kVp, de 6 MV e para uma fonte de Irídio-192, em um amplo intervalo de doses. Todos os materiais apresentaram reprodutibilidade de sinal OSL (desvios menores que 1%) e homogeneidade de resposta em grupo de até ±95% (conferida para o dosímetro de Al2O3 (0,02%ntC). Todos os materiais estudados apresentaram sensibilidade satisfatória para doses de interesse clínico. Amostras OSL de Al2O3 (1% C), Al2O3 (0,02%ntC) e Al2O3 (0,02%npC) foram utilizadas para um estudo piloto de dosimetria in vivo em Radioterapia. A dosimetria in vivo sugere o possível uso dos dosímetros na rotina clínica em Radioterapia, através do estabelecimento de um protocolo de medidas, calibrações para cada feixe e energia utilizada e controle do sistema de planejamento utilizado para os cálculos de dose. / High sensitivity and signal reproducibility are characteristics of optically stimulated luminescent dosimeter, instigating it use in quality control and in vivo dosimetry in Radiotherapy. In this work, samples of Al2O3, Al2O3 (1%C) and Al2O3 with different concentrations of rare-earth and carbon nanostructures, have been studied and developed for application in Radiotherapy. Samples were obtained by manual mixing and maceration and inserted into transparent capsules, except those of Al2O3 (1%C) which were produced as pellets. The OSL signals for all tested materials showed increasing response with radiation dose. The 0.02% concentration showed the highest signal intensity for all materials inserted into alumina, with exception to carbon graphite (1%). Materials were characterized by various techniques, through spectroscopic and structural analysis. The OSL sensitivity of Al2O3 (1%C) was investigated for electron beams from 5 to 12 MeV, 6 MV photons and an Iridium-192 source. Different dosimetric characteristics of some OSL materials Al2O3 (0.02%Eu), Al2O3 (0.02%Tb), Al2O3 (0.02%ntC), Al2O3 (0.02% npC) were investigated for photons beams of 50 kVp and 6 MV and a source of Iridium-192, in a wide dose range. All materials showed reproducibility of OSL signal (deviations less than 1%) and response homogeneity up to ± 95% (conferred for the dosimeter Al2O3 (0.02%ntC). All studied materials showed satisfactory sensitivity. Samples of Al2O3 (1%C), Al2O3 (0.02%ntC) and Al2O3 (0.02% npC) were used in a in vivo dosimetry pilot study in radiotherapy. The in vivo dosimetry performed with the developed OSL dosimeters suggest its possible use in clinical practice in Radiotherapy by establishing a measure protocol, calibrations for each beam and energy used and control of the planning system used for dose calculations.

A alta sensibilidade e a reprodutibilidade de sinal são características de dosímetros luminescentes opticamente estimulados, que instigam seu uso no controle da qualidade e dosimetria in vivo em Radioterapia. Nesse trabalho, amostras de Al2O3, Al2O3 (1%C) e Al2O3 com diferentes concentrações de terras-raras e de nanoestruturas de carbono foram estudadas para aplicação em Radioterapia. As amostras foram obtidas pelo processo manual de mistura e maceração e inseridas em cápsulas transparentes, com exceção do material Al2O3 (1%C), que foi obtido na forma de pastilhas. Os sinais OSL para todos os materiais testados apresentaram crescimento de resposta com a dose de radiação. A concentração de 0,02% apresentou maior intensidade de sinal para todos os materiais inseridos na alumina, com exceção do carbono grafite (1%). Os materiais foram caracterizados por diferentes técnicas, para análises espectroscópicas e estruturais. A sensibilidade OSL do material Al2O3 (1%C) foi investigada para feixes de elétrons de 5 a 12 MeV, para feixe de fótons de 6 MV e para uma fonte de Irídio-192. Diferentes características dosimétricas OSL dos materiais Al2O3 (0,02%Eu), Al2O3 (0,02%Tb), Al2O3 (0,02%ntC), Al2O3 (0,02%npC) foram investigadas para feixes de fótons de 50 kVp, de 6 MV e para uma fonte de Irídio-192, em um amplo intervalo de doses. Todos os materiais apresentaram reprodutibilidade de sinal OSL (desvios menores que 1%) e homogeneidade de resposta em grupo de até ±95% (conferida para o dosímetro de Al2O3 (0,02%ntC). Todos os materiais estudados apresentaram sensibilidade satisfatória para doses de interesse clínico. Amostras OSL de Al2O3 (1% C), Al2O3 (0,02%ntC) e Al2O3 (0,02%npC) foram utilizadas para um estudo piloto de dosimetria in vivo em Radioterapia. A dosimetria in vivo sugere o possível uso dos dosímetros na rotina clínica em Radioterapia, através do estabelecimento de um protocolo de medidas, calibrações para cada feixe e energia utilizada e controle do sistema de planejamento utilizado para os cálculos de dose. / High sensitivity and signal reproducibility are characteristics of optically stimulated luminescent dosimeter, instigating it use in quality control and in vivo dosimetry in Radiotherapy. In this work, samples of Al2O3, Al2O3 (1%C) and Al2O3 with different concentrations of rare-earth and carbon nanostructures, have been studied and developed for application in Radiotherapy. Samples were obtained by manual mixing and maceration and inserted into transparent capsules, except those of Al2O3 (1%C) which were produced as pellets. The OSL signals for all tested materials showed increasing response with radiation dose. The 0.02% concentration showed the highest signal intensity for all materials inserted into alumina, with exception to carbon graphite (1%). Materials were characterized by various techniques, through spectroscopic and structural analysis. The OSL sensitivity of Al2O3 (1%C) was investigated for electron beams from 5 to 12 MeV, 6 MV photons and an Iridium-192 source. Different dosimetric characteristics of some OSL materials Al2O3 (0.02%Eu), Al2O3 (0.02%Tb), Al2O3 (0.02%ntC), Al2O3 (0.02% npC) were investigated for photons beams of 50 kVp and 6 MV and a source of Iridium-192, in a wide dose range. All materials showed reproducibility of OSL signal (deviations less than 1%) and response homogeneity up to ± 95% (conferred for the dosimeter Al2O3 (0.02%ntC). All studied materials showed satisfactory sensitivity. Samples of Al2O3 (1%C), Al2O3 (0.02%ntC) and Al2O3 (0.02% npC) were used in a in vivo dosimetry pilot study in radiotherapy. The in vivo dosimetry performed with the developed OSL dosimeters suggest its possible use in clinical practice in Radiotherapy by establishing a measure protocol, calibrations for each beam and energy used and control of the planning system used for dose calculations.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nanostructured carbon materials production can constitute an alternative for a sustainable management of residues originated from petrochemical waste and agriculture activities, toward the development of multifunctional ―green‖ materials. The coconut processing industry generate a significant amount of waste (45% of mass). The shell, fibers and coconut coir dust have been studied extensively to produce conventional carbon materials. The goal of this work was to produce carbon-clay nanocomposites and carbon nanostructures by hydrothermal route. By using coconut fiber residue as carbonaceous precursor along with lamellar (montmorillonite and kaolinite) and fibrous clays (sepiolite and attapulgite).The obtained materials were characterized by X-ray diffraction, Raman and Infrared spectroscopy, thermogravimetry, scanning and transmission electron microscopy and area and porosity measurements by BET. Carbon phase formation was indicated by infrared results with bands at ~ 1444 cm-1 and ~ 1512 cm-1 assigned to C=C of aromatic groups. Raman spectroscopy results showed presence of carbonaceous species by the appearance of D and G bands assigned to disordered and graphitic crystallites, respectively. The estimated particle size based on Raman bands was found between 8-33 nm. SEM results showed that the morphology of coconut coir dust was preserved and all materials showed overlapping sheets and plates formation. In transmission electron microscopy (TEM) images it was possible to observe three types of carbon nanostructures: sheets, fibers and nanoparticles. It was observed the formation of very thin amorphous sheets, as well as the presence of partially ordered graphitic domains and disperse carbon nanoparticles. / A produção de materiais de carbono nanoestruturados pode constituir uma alternativa para a reutilização de resíduos provenientes da indústria petroquímica e atividades agrícolas, abrindo um caminho para o desenvolvimento de materiais ―verdes‖ multifuncionais. Da indústria do processamento do coco, origina-se uma quantidade significativa de resíduos (45% do fruto). A casca, fibras e pó de coco são estudados extensivamente para a produção de materiais de carbono convencionais. A proposta deste trabalho foi produzir nanocompósitos de carbono-argila e nanoestruturas de carbono, via rota hidrotérmica. Para tanto foi utilizado o pó de coco in natura como precursor carbonáceo e argilas lamelares (montmorillonita e caulinita) e fibrosas (atapulgita e sepiolita). Os materiais obtidos foram caracterizados por difração de Raios-X, espectroscopia Raman e no Infravermelho, Termogravimetria, Microscopia eletrônica de Varredura (MEV) e Transmissão (MET), e medidas de área superficial e porosidade por BET. A formação de carbono foi indicada pelos resultados de infravermelho com bandas em ~1444 cm-1 e ~1512 cm-1 atribuídas a C=C de grupos aromáticos. Os resultados de espectroscopia Raman evidenciaram a presença de espécies carbonáceas pelo aparecimento das bandas D e G atribuídas, respectivamente, a presença de desordem e cristalitos de grafite. A faixa de tamanho de partícula estimada a partir das bandas Raman está entre 8-33 nm. Os resultados de MEV mostraram que a morfologia do pó de coco foi preservada e todos os materiais obtidos apresentaram a formação de folhas sobrepostas e placas. Nas imagens de microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi possível observar a formação de três tipos de nanoestruturas de carbono: folhas, fibras e nanopartículas. Observou-se a formação de folhas muito finas, de caráter predominantemente amorfo, bem como a presença de domínios grafiticos parcialmente ordenados, e nanopartículas de carbono dispersas.

Orientadores: Rubens Maciel Filho, André Luiz Jardini Munhoz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:50:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MaciasMacias_Carolina_M.pdf: 33756712 bytes, checksum: 756466b4de64af3709bb1a7410020b1a (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Após a descoberta dos nanotubos de Carbono, o estudo de novos materiais de Carbono surgiu como um fascinante assunto de pesquisa para a comunidade científica. As propriedades excepcionais destes materiais os fazem potenciais aditivos para lubrificantes, suportes para catalisadores, materiais para estocagem de energia, e materiais para dispositivos nanoeletrônicos. Técnicas de síntese muito versáteis como o método Laser-Forno e o método de Deposição Química de Vapor são usadas para produzir vários tipos de materiais de Carbono como nanotubos, esferas e fibras a partir de hidrocarbonetos líquidos e gasosos e de outras matérias-primas. Por outro lado, o processamento do petróleo gera resíduos que vêm sendo tratados por meio de processos inovadores como a Destilação Molecular visando à obtenção de produtos finais de alto valor agregado. Porém, esta técnica gera resíduos ainda mais pesados (ultrapesados) de petróleo de composição rica em hidrocarbonetos, resinas, asfaltenos, aromáticos e heteroátomos, característica que lhes confere potencial como precursores de estruturas carbonosas, mas paralelamente impõe desafios tecnológicos em função da sua complexidade. Neste contexto, o resíduo ultrapesado da destilação molecular aplicada ao resíduo de vácuo foi avaliado como matéria prima para a síntese de estruturas de carbono. Em razão disso, foi construído um reator bifuncional para a síntese de materiais carbonosos por meio do método Laser- Forno e do método de Deposição Química de Vapor. Com o projeto adequado do reator foram desenvolvidas políticas e condições operacionais que possibilitaram a síntese de esferas de Carbono. Estas foram caracterizadas e foi possível demonstrar a potencialidade do resíduo da destilação molecular como material precursor de nanoestruturas de Carbono, abrindo um novo caminho de pesquisa que envolve o processamento de resíduos com a obtenção de produtos de alto valor agregado. / Abstract: Since the discovery of carbon nanotubes and related carbon materials, an intense scientific activity around these new structures has been stimulated. Because of the exceptional properties showed by these materials, they have been investigated as lubricant additives, catalyst supports, energy storage materials and nanoelectronic devices. Various methods, including Chemical Vapor Deposition and Laser-Furnace technique, have been developed for the production of carbon nanomaterials (nanotubes, spheres and fibers) from liquid and gaseous hydrocarbons, and other carbon precursors. Additionally, petroleum processing generates oil wastes that have been treated by various innovative processes as Molecular Distillation, with the intention of producing high value final products as gasoline and lubricant oils. Nevertheless, this technique generates oil wastes even heavier (ultraheavy oil), that exhibit a complex chemical composition based on saturates, resins, asphalthenes, aromatics and heteroatoms compounds. This feature suggests that Molecular Distillation Residua could be used as a carbon precursor for carbon nanostructures, but additionally imposes process challenges. In this context, the ultraheavy oil residue from Molecular Distillation of vacuum residue was assessed as raw material for the synthesis of carbon nanostructures. The performance evaluation experiments were carried out in a reactor for carbon materials production by Chemical Vapor Deposition and Laser-Furnace technique, built for that purpose. There were developed policies and operational conditions that made possible the Carbon Spheres production. The as-produced Carbon Spheres were characterized by various techniques, and the potential of Molecular Distillation Residue, as carbon nanostructures precursor, was demonstrated. Finally, a new branch of research involving oil wastes processing and carbon nanomaterials synthesis was successfully initiated. / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Fernando Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T10:47:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ParedezAngeles_PabloJenner_D.pdf: 4194390 bytes, checksum: 8881d83ee8bcb5a5ad4bfb23b7ff1028 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Nesta tese são apresentados os efeitos nas propriedades estruturais, eletrônicas e de emissão eletrônica por efeito de campo elétrico induzidos pela incorporação de nitrogênio em nanoestruturas de carbono. As nanoestruturas de carbono contendo nitrogênio foram preparadas por pulverização catódica (sputtering) de um alvo de grafite assistido, ou não, por um feixe iônico. A técnica permite atuar sobre os parâmetros de deposição induzindo mudanças nas propriedades estruturais, eletrônicas e de emissão eletrônica por efeito de campo elétrico. O papel do hélio na formação de nanoes-truturas de carbono contendo nitrogênio foi também explorado, mostrando que o gás nobre promove maior incorporação de nitrogênio. Isto é provavelmente devido à relativa alta condutividade térmica que apresenta o hélio, propriedade que modifica a cinética do crescimento das nanoestruturas. O estudo realizado permitiu entender o mecanismo de formação das nanoestruturas, mostrando que primeiramente o carbono alcança as partículas de Ni por difusão até a saturação do metal, iniciando a formação das camadas grafíticas sobre a partícula de Ni, camadas que foram observadas por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução. O estudo mostra, também, que os parâmetros importantes que controlam a incorporação de nitrogênio no material são a pressão parcial de nitrogênio na câmara de deposição, assim como a energia do feixe de íons assistindo a deposição.Foram estudadas três séries de amostras preparadas em atmosferas controladas. Na primeira série foi utilizado um feixe de íons de nitrogênio como feixe de assistência, e na segunda, uma mistura composta por duas espécies iônicas, íons de nitrogênio e hidrogênio. Com o auxilio da espectroscopia de elétrons fotoemitidos por raios-X observou-se a incorporação de nitrogênio nos filmes. A microscopia de força atômica revelou a presença de estruturas do tipo domo, distribuídas de maneira uniforme na superfície das amostras, apresentando uma densidade média de ~3×10 9 domos/cm 2as da primeira série, e ~1.4×10 9 domos/cm 2as da segunda série. Tanto a distribuição como a forma seguem o padrão estabelecido pelos precursores utilizados na preparação das nanoestruturas, i.e., ilhas de níquel que agem ao mesmo tempo como catalisadores e como suporte para as nanoestruturas. Na terceira série, as nanoestruturas foram crescidas sobre um filme de nitreto de titânio, depositado sobre substratos de Si, pulverizando um alvo de grafite em atmosferas de nitrogênio e hélio-nitrogênio. A densidade dos domos encontrada para esta série foi de ~5.3×10 10 domos/cm 2 . Os espectros Raman das três séries apresentam as bandas G e D, o que indica a presença estruturas grafíticas com distorções representadas pela banda D. A incorporação de nitrogênio ocasiona o alargamento da banda G e aumento da razão das intensidades das bandas D e G, respectivamente, indicando uma redução da ordem estrutural com a incorporação de Nitrogênio. Finalmente, para as três séries de amostras, fez-se também um estudo das propriedades de emissão eletrônica por efeito de campo elétrico. A emissão é predominantemente por tunelamento quântico (as curvas de densidade de corrente vs campo elétrico seguem o modelo de Fowler-Nordheim) e dependem da concentração de nitrogênio assim como do processo usado na preparação das amostras / Abstract: The subject of this thesis is establishing a link among the synthesis, structures, and field emission properties for nanostructured carbon materials containing nitrogen. The materials were prepared by ion beam assisted deposition and ion beam sputtering. The carbon material was obtained sputtering an ultra pure graphite target by an argon ion beam. The method allows controlling the deposition parameters to induce changes in the structural, electronic, and field emission properties. Also, the role of helium on the carbon containing nitrogen nanostructures was investigated. The remarkable thermal conductance of He modifying the growing kinetics was also studied. An important goal of the work was to elucidate the mechanism of the nanostructures formation. It was found that, at first, the carbon atoms reach the Ni particles saturating the metal particle, and then, the formation of stacked graphene starts on the metal particles. The graphene layers were observed by high resolution transmission electron microscopy. The results show that mainly two parameters control the nitrogen incorporation, namely, the deposition chamber nitrogen partial pressure and the energy of the nitrogen ion beam assisting the growth. Three sample series prepared in controlled atmospheres were studied. The first series was prepared assisting the growth with a nitrogen ion beam and, the second series by a nitrogen-hydrogen ion beam. The third sample series were prepared by ion beam sputtering on silicon substrate by sequentially depositing titanium nitride thin film, nanometric nickel particles and carbon. The carbon containing nitrogen nanostructures were grown in nitrogen and helium-nitrogen atmospheres. X-ray photoelectron spectroscopy analysis indicates nitrogen incorporation and it depends predominantly on the ion beam energy or on the nitrogen partial pressure. Atomic force microscopy reveals dome-like structures uniformly distributed on the surface of the samples, with ~3×10 9 domes/cm 2 for the first series, ~1.4×10 9 domes/cm 2 for the second, and ~5.3×10 10 domes/cm 2 for the third. Both distribution and shape follow the Ni island pattern, i.e. the Ni islandsact both as a catalytic and uphold. The three samples series were also analyzed by Raman spectros-copy, showing a defined G bands around 1593 cm -1 indicating the presence of graphitic structures. Also, are observed D bands indicating structural disorder. The disorder increases with the augment of the nitrogen content, as is shown by the augment of the D and G intensities ratio. Finally, the field emission properties of the three series were studied and the electron emission depends on the growing conditions in general, and on the nitrogen content in particular. The results show that the emission is predominantly by quantum tunneling and the current density vs. electric field curves follow the Fowler-Nordheim model / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientadores: Munir Salomão Skaf, Vitor Rafael Coluci / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T20:42:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Faro_TatianaMellodaCosta_D.pdf: 8054394 bytes, checksum: ce0d79df42ce453ffc39b51bf0ad1094 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Atualmente, a economia mundial depende do uso de combustíveis fósseis para a geração de energia. Esse modelo apresenta problemas ambientais graves, uma vez que o petróleo é um material não-renovável e muito poluente. O gás hidrogênio apresenta-se como uma alternativa promissora para substituir os combustíveis utilizados atualmente devido a um conjunto de características positivas: ele é atóxico, tem uma alta densidade energética gravimétrica e gera apenas água como produto de sua combustão. Apesar de tais vantagens, ele ainda não é utilizado comercialmente em larga escala. O maior empecilho tecnológico para que o hidrogênio possa substituir os combustíveis fósseis está no seu armazenamento. Existem diversas propostas para armazenar o hidrogênio, como tanques contendo o hidrogênio nas formas de gás pressurizado ou de líquido, além de sistemas sólidos que permitam a sua adsorção. Todavia, nenhum sistema construído até então foi capaz de armazenar o hidrogênio de forma tão barata, segura e eficaz quanto seria necessário. Nanoestruturas de carbono são vistas como uma boa alternativa para construir dispositivos de armazenamento de hidrogênio baseados na fisissorção. Os nanopapiros de carbono, formados por folhas de grafeno enroladas no formato de um papiro, são considerados particularmente promissores para armazenar o hidrogênio, uma vez que possuem uma alta área superficial, extremidades abertas e distâncias intercamadas facilmente controláveis. Na primeira etapa deste trabalho, realizamos simulações de Dinâmica Molecular (MD) para estudar a dinâmica e a estabilidade de diversos nanopapiros em função de alguns dos seus parâmetros estruturais. Posteriormente, aplicamos o método de Monte Carlo Grand-Canônico (GCMC) para estudar o processo de adsorção de hidrogênio em nanopapiros selecionados, de forma a caracterizar quantitativamente e qualitativamente as fases adsorvidas / Abstract: Presently, the world economy depends on the use of fossil fuels to generate energy. This model presents serious environmental problems, since petroleum is a non-renewable and very pollutant material. Hydrogen gas presents itself as a promising alternative to substitute the fuels currently used due to a few positive characteristics: it is non-toxic, possesses a high gravimetric energetic density and only generates water as a combustion byproduct. In spite of all these advantages, hydrogen still isn't used commercially in a large scale. The biggest technological drawback for hydrogen to substitute fossil fuels is in its storage. There are many proposed ways to store hydrogen, such as tanks containing highly pressurized or liquid hydrogen, or solid systems that allow its adsorption. However, no system built up to the date had been able to store hydrogen as cheap, safe and efficiently as necessary. Carbon nanostructures are seen as a good alternative to build hydrogen storage devices based on physisorption. Carbon nanoscrolls, formed by graphene sheets scrolled in a papirus-like shape, are considered as particularly promising adsorption materials, since they possess a high surface area, open edges and easily controllable interlayer distances. In the first step of this work, we made Molecular Dynamics (MD) simulations to study the dynamics and the stability of several nanoscrolls as a function of their structural parameters. Subsequently, we used the Grand-Canonical Monte Carlo (GCMC) method to study the hydrogen adsorption process in selected nanoscrolls, as to characterize the adsorbed phases quantitatively and qualitatively / Doutorado / Físico-Química / Doutora em Ciências

[pt] A pesquisa aponta para a possibilidade de realizar a reação de redução de CO2 (CO2RR) para a formação de nanomateriais de carbono por ablação a laser pulsado(PLA) de alvos magnéticos de Ferro(Fe) e Níquel(Ni) em água pura deionizada. Os materiais coloidais sintetizados foram caracterizados por diferentes técnicas de espectroscopias ópticas (UVVis, ICP-MS, FTIR e Raman) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), revelando a presença de nanopartículas de óxidos e hidróxidos de metais de transição, junto com nanomaterial orgânico. Esse último, é bem visível por TEM, espectroscopia de raio-X por dispersão em energia (EDS), espectroscopia por perda de energia de elétrons (EELS), e espectroscopia Raman, que indica a presença de carbono amorfo grafítico e vibrações CH. No caso do nanomaterial obtido do Níquel, os resultados FTIR confirmam a presença da fase do hidróxido beta-Ni(OH)2, enquanto as medidas Raman e TEM sugerem também a presença de nano-folhas de Ni(HCO3)2. Os resultados experimentais foram enfim discutidos no contexto da origem e da evolução de moléculas simples e complexas de interesse astroquímico, com foco especial nas espécies potencialmente formadas na superfície de pequenos corpos metálicos do Sistema Solar e grãos de poeira cósmica do meio interestelar. / [en] The proposed research points to the possibility to perform CO2 reduction reaction (CO2RR) to solid carbon nanomaterials by the pulsed laser ablation (PLA) of magnetic target of iron (Fe) and nickel (Ni) in pure deionized water. The synthesized colloidal dispersions were characterized by different optical spectroscopies (UV-Vis, ICP-MS, FTIR and Raman) and transmission electron microscopy (TEM), revealing the presence of nanosized transition metal oxide and hydroxide nanoparticles, together with organic nanomaterial. The latter is well visible by TEM, energy-dispersive X-Ray spectroscopy (EDS), electron energy-loss spectroscopy(EELS), and Raman spectroscopy, which indicates the presence of amorphous graphitic carbon and CH vibrations. In the case of Ni derived nanomaterial, FTIR results confirm the presence of a beta-Ni(OH)2 hydroxide phase, while Raman and TEM measurements suggest also the presence of Ni(HCO3)2 nanosheets. The experimental results were finally discussed in the frame of the origin and evolution of simple and complex molecules of astrochemical interest, with special focus on those species potentially formed on the surface of metallic minor bodies in the solar system and cosmic dust grains in the interstellar medium(ISM).