O objetivo foi avaliar através da Microscopia Confocal de Varredura a Laser (MCVL) e cultura microbiológica (CM) a influência do veículo propilenoglicol e água destilada e agitação ultrassônica (U) na atividade antimicrobiana e penetrabilidade de pastas de hidróxido de cálcio (HC), em diferentes tempos de manutenção da medicação intra-canal. Para isso cento e noventa e três tubos de dentina bovina padronizados foram infectados com Enterococcus faecalis em caldo BHI (Brain Heart Infusion) utilizando um novo protocolo de contaminação com dois ciclos de centrifugação por 5 dias. Durante o período experimental os espécimes foram divididos em 8 grupos de acordo com o veículo da pasta de HC, água destilada (Ad) e propilenoglicol (prop), com o uso do ultrassom, e tempo experimental e de 7 e 15 dias: Grupo1- HC+pro+15d, Grupo 2 HC+prop+U+15d, Grupo3 HC+prop+7d, Grupo 4 HC+prop+U+7d Grupo5- HC+Ad+15d, Grupo 6 HC+Ad+U+15d, Grupo7 HC+Ad+7d, Grupo8 HC+Ad+U+7d . A agitação ultrassônica foi realizada durante 1 minuto nas direções vestíbulo-lingual e mésio-distal, com o auxílio de um inserto liso. As medicações permaneceram no interior dos espécimes durante cada período experimental. A MCVL analisou as bactérias viáveis (verde) e mortas (vermelho), com o auxílio do corante Live and Dead® nos tubos de dentina após o período de medicação. A contagem de Unidades Formadoras de Colônia (UFCs) foi realizada a partir da cultura microbiológica (CM). As raspas de dentina foram coletadas e diluídas para semeadura em placas de Petri com ágar BHI. Para a penetração foi utilizado o corante Rodamina B durante a manipulação das pastas de HC e as análises feitas por MCVL. O grupo 3 e 7 mostraram a maior viabilidade bacteriana nos tubos de dentina contaminados e os demais grupos as menores. A agitação ultrassônica (U) reduziu significativamente a viabilidade bacteriana, nos diferentes períodos. A pasta de HC + Prop+U 7 e 15 dias, mostraram-se mais eficazes, seguidas pela pasta HC+Ad+U+15. Concluiu-se que todas as pastas demonstraram ação antimicrobiana contra E. faecalis e com melhor desempenho quando potencializadas com ultrassom, mesmo em períodos de 7 dias, podendo ser de escolha clínica um curativo que permaneça menor tempo no interior do canal com a mesma efetividade, otimizando o tratamento endodôntico. / The purpose was to evaluate using Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) and microbiological cultures (MC) of infected dentin the influence of veicol propylene glycol (prop) or distilled water (Ad) and ultrasonic agitation (U) on the antimicrobial potential and penetrability of calcium hydroxide (CH) pastes). one hundred ninetythree cylindrical dentin specimens were infected with Enterococcus faecalis in BHI broth using a new contamination protocol for 5 days with centrifugations. During the experimental period, the specimens were divided into 8 groups and dressed with the following during 7 or 15 days: Group1- HC+pro+15d, Group 2 HC+prop+U+15d, Group 3 HC+prop+7d, Group 4 HC+prop+U+7d Group 5- HC+Ad+15d, Group 6 HC+Ad+U+15d, Group 7 HC+Ad+7d, Group 8 HC+Ad+U+7d. The ultrasonic activation was made during 1 minute in both directions (buccal-lingual / mesio-distal), with the aid of a plain point insertion. The medications remained in the root canals for each experimental period. The CLSM analyzed the viable (green) and dead (red)bacteria in the infected dentinal tubules, with Live and Dead dye. The colony forming units (CFUs) count was made possible with the MC method. The dentinal wall debris were collected and diluted to be seeded on Petri BHI-agar plates. For the penetration test, the dye Rodamine B was added to CH pastes during the manipulation and analysed by CLSM. The groups 3 and 7 showed the greatest bacteria viability in the infected dentinal tubes and the other groups the lowest,. The pastes HC + Prop+U 7 and 15 days performed more efficacy, followed by HC+Ad+U+15d paste . We conclude that all the paste tested demostrated antimicrobial activity against E. faecalis from calcium hydroxide paste with propylene glycol and distilled water when leveraged with ultrasound, even in periods of seven days. Therefore, a dressing that remains less time inside the root canal with the same effectiveness can be the choice in clinical practice, optimizing the endodontic treatment.

A modelagem do campo acústico gerado por um transdutor ultra-sônico retangular é importante porque sua geometria é usada freqüentemente por transdutores multielementos (arrays). O conhecimento do campo acústico pode otimizar alguns parâmetros de projeto de transdutores ultra-sônicos, tais como: a sua geometria, a profundidade de foco, a largura do feixe acústico, bem como os parâmetros de focalização de um array (leis de retardos e de apodização). O modelo implementado neste trabalho calcula a pressão acústica e o potencial de velocidade gerados por transdutores de geometria retangular em um conjunto de pontos do espaço. A abordagem usa o método da integral de convolução e da resposta espacial impulsiva, cuja solução computacional do problema é exata e relativamente simples, o que normalmente não ocorre com outros métodos que apresentam um alto custo computacional (tempo de processamento). A resposta em pressão do transdutor em cada ponto do espaço é obtida com o modelo implementado em Matlab e é verificada experimentalmente. São realizadas medidas experimentais do campo de pressão gerado por transdutores retangulares monoelementos na faixa de freqüências de 400 kHz a 2,2 MHz e um array na freqüência de 1 MHz, em um tanque de imersão, utilizando um hidrofone pontual e um sistema computadorizado de varredura de campo. A comparação entre os resultados simulados e experimentais mostra uma boa concordância, bem como as suas limitações. / The simulation of the acoustic field generated by a rectangular ultrasonic transducer is important because its geometry is frequently used in arrays. The knowledge of the acoustic field can optimize some design parameters of ultrasonic transducers, such as: geometry, focus depth, acoustic beam width, as well as the delay laws and the apodization of an array. Such simulation is implemented in this work, using a model that calculates the acoustic pressure in a space point. The approach uses the convolution integral and the spatial impulsive response methods. This computational solution is exact and relatively simple. That does not usually happen to other methods with a higher computational time. The acoustic field simulations obtained with the model implemented in Matlab are verified experimentally. Measurements of the pressure field generated by rectangular transducers in 400 kHz to 2.2 MHz and by an 1 MHz array were made in an immersion tank, using a punctual hidrophone and a computerized system for acoustic field measurements. The comparison between the simulated and experimental results shows good agreement.

Com base em trabalhos tanto teóricos como experimentais, concluiu-se que o Cu+ fica em posição fora de centro em alguns halogenetos alcalinos. Nesse trabalho apresentamos resultados obtidos por técnicas de ultra-som, para verificar as propriedades do dipolo elástico devido a inos Cu+ em posição fora de centro em cristais de KCl. As alturas dos picos de relaxação observados em KCl: Cu+, apresentam proporcionalidade com a concentração de defeitos e a energia de ativação foi encontrada, sendo 0.1755 e V. A partir da teoria do dipolo elástico, e das concentrações de Cu+ achados por absorção ótica, determinou-se a simetria do defeito como sendo trigonal e o fator de forma |&#9551 - &#9552| = (7.7 &#177 0.8) 10-2. Usando valores teóricos para os deslocamentos dos 6 vizinhos (c1&#8254) próximos e a teoria do \"elipsóide de inclusão\", os momentos de dipolo elástico, &#9551, &#9552 e &#9553 puderam ser determinados e apresentam boa concordância com o experimento. Dada a forma do pico de atenuação, comprovou-se que a reorientação dos dipolos segue o modelo clássico com um tempo de relaxação simples &#964o &#8764-13 / With basis on theoretical and work investigation it is possible to conclude that Cu+ occupies an off-center position in several alkali halides. In this work, we report some results obtained for the elastic dipole which results form an off-senter substitutional Cu+ in KCl by ultrasonic techniques. The height of the relaxation peaks observed in KCl: Cu+ are proportional to defect concentrations, and the activation energy is 0.1755 and V. From the theory for elastic dipole, and the defect concentration measured throught optical absorption and the shape factor |&#9551 - &#9552| = (7.7 &#177 0.8) 10-2. By using theoretical values for the six nearest neighbors displacements and the \"Elipsoid inclusion theory\", the elastic dipole moments , &#9551, &#9552 e &#9553 are determined. Using the shape of the attenuation peak, we conclude that the dipole reorientation follows the classical model with a single relaxation time &#964o &#8764-13

Os ensaios não destrutivos visam avaliar um elemento sem gerar danos a ele com a técnica empregada. Um tipo de ensaio não destrutivo é o método da velocidade do pulso de ondas ultrassônicas. Este método é comumente utilizado para determinar propriedades elásticas de um dado material e verificar danos no interior dos elementos estudados. Outra aplicação do ultrassom é a medição do nível de tensão num material por meio da propagação das ondas ultrassônicas, tendo como base a teoria da acustoelasticidade. Entretanto, o uso do ultrassom para esta finalidade ainda é pouco difundido, principalmente na aplicação em estruturas de concreto. Este trabalho teve como objetivo estudar a possibilidade de medir tensões em estruturas de concreto com o uso do ultrassom. Para tanto, foram realizados ensaios de compressão uniaxial em prismas de concreto. Durante os ensaios, foram emitidas ondas ultrassônicas nos elementos para cada nível de tensão aplicada no material. A partir destes ensaios, foi feito um estudo do comportamento acustoelástico do concreto. Verificou-se que as velocidades das ondas ultrassônicas variaram em função da intensidade das tensões normais de compressão existentes nos corpos de prova. Com base na variação das velocidades, os coeficientes acustoelásticos do concreto de cada prisma foram determinados e relacionados com propriedades do concreto. Verificou-se a possibilidade de se estimar o nível mínimo de tensão em determinadas estruturas de concreto a partir do conhecimento de seus coeficientes acustoelásticos. Concluiu-se que é possível estimar tensões em estruturas de concreto utilizando o ultrassom. / Nondestructive tests aim to analyze an element generating no damages. The pulse velocity of ultrasonic waves method is a type of nondestructive test. This method is commonly used to determine elastic properties of materials and to verify damages inside studied elements. Another application for ultrasound is the measurement of stress level in a material by means of propagation of ultrasonic waves. This application is based on the theory of acoustoelasticity. However, the use of ultrasound is still unusual for this purpose, mainly in application in concrete structures. This work intended to study the possibility of measuring stresses in concrete structures with the use of ultrasound. Uniaxial compression tests were performed on concrete prisms. During tests, ultrasonic waves were propagated in elements for each level of applied stress in the material. Then, a study about acoustoelastic behavior of concrete was performed. It was verified that the velocities of ultrasonic waves changed according to the intensity of normal compressive stresses there were in the specimens. Based on the variation of velocities, the acoustoelastic coefficients of concrete were determined for each prism. The coefficients were related with properties of concrete. The possibility of estimating the minimum level of stress in certain structures of concrete from their acoustoelastic coefficients was verified. It was concluded it is possible to estimate stresses in concrete structures using ultrasound.

Este trabalho teve por objetivo desenvolver e caracterizar um conjunto transdutor piezelétrico de potência e pinça laparoscópica para cortes homeostáticos, o qual constitui parte fundamental do projeto do Bisturi Ultrassônico Nacional. O transdutor, do tipo Langevin, é composto por quatro cerâmicas piezelétricas que convertem energia elétrica em deslocamento mecânico. Um componente importante do transdutor é o amplificador mecânico, cuja finalidade é aumentar a amplitude do deslocamento. O transdutor e o amplificador foram desenvolvidos através de um modelo axissimétrico de elementos finitos implementado no software ANSYS e a lâmina foi desenvolvida através de um modelo tridimensional em elementos finitos. Para cada associação, entre os componentes, os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico, foram comparados com os resultados experimentais. Também foi desenvolvido um mecanismo inovador de acionamento da pinça laparoscópica. O resultado desta pesquisa proporcionou uma inovação tecnológica na área médica, contribuindo assim para o progresso tecnológico do país. / The aim of this work was to develop and characterize a high power piezoelectric transducer coupled to a laparoscopic forceps for homeostatic cuts, which is a fundamental part of the National Ultrasonic Scalpel Project. The Langevin type transducer consists of four piezoelectric ceramics that convert electrical energy into mechanical displacement. An important component of the transducer is the mechanical amplifier, which increases the amplitude of displacement. The transducer and amplifier have been developed through an axisymmetric finite element model, implemented in ANSYS, and the blade was developed using a three-dimensional finite element model. For each association between the components, the numerical results of the frequency response of the electrical impedance and electromechanical coupling coefficient were compared with the experimental results. An innovative drive mechanism was developed for the laparoscopic forceps. The result of this research provided a technological innovation in the medical field, thus contributing to the technological progress of the country.

Desde o ano 2000, o Grupo de Alta Tensão e Materiais (GATM) tem contribuído com suas pesquisas no desenvolvimento de processos para produção de novos transdutores piezoelétricos de materiais poliméricos, baseados na tecnologia dos piezoeletretos. Essa intensa investigação se justifica pelas excelentes propriedades piezoelétricas desses dispositivos, com atividade na ordem de centenas e até milhares de pC/N, ultrapassando o desempenho de algumas tradicionais cerâmicas. Destacam-se também nestes sensores, sua estrutura flexível e robusta, sua resposta na faixa de frequências ultrassônicas e seu baixo custo. Características estas que os tornam muito competitivos com os transdutores convencionais, cerâmicos e poliméricos, a exemplo do PZT e PVDF, respectivamente. Neste contexto, desenvolveu-se em 2009 no GATM um novo arranjo polimérico de múltiplos canais, em que filmes de teflon FEP foram termicamente moldados e depois expostos a um intenso campo elétrico (na ordem de kV), criando sensores com elevado coeficiente piezoelétrico. Esse novo dispositivo, batizado de Piezoeletreto de Canais Tubulares (PCT) foi construído por meio de um processo de fabricação organizado e controlado, diferentemente dos piezoeletretos vistos até então. No presente trabalho construiu-se um protótipo de hidrofone com elemento ativo dado por um filme de PCT, para aplicações de até 100 kHz e com uma eletrônica de pré-amplificação em 24 dB. O primeiro teste com o protótipo restringiu-se à obtenção da sua sensibilidade. Realizaram-se ainda testes de caracterização quanto ao padrão de diretividade e a relação sinal-ruído. A calibração foi feita em três diferentes modalidades de geração do sinal: AM, CW e Burst, todas de maneira comparativa com o auxílio de um hidrofone comercial. A sensibilidade média encontrada nas medidas foi de 0,142 mV/Pa (-196,93 dB re 1 V/&#956Pa) e, na ressonância (40 kHz) de 1,698 mV/Pa (-175,4 dB re 1 V/&#956Pa). A segunda fase de testes destinou-se a geração de imagens para diagnóstico clínico, baseada na técnica de Vibroacustografia (VA). Verificou- se a viabilidade do uso da VA com o mapeamento de dois objetos distintos, uma pequena esfera metálica de 1 mm de diâmetro e uma estrutura óssea. / Since 2000, the High-Voltage and Materials Group (GATM) has focused its research on developing new processes for manufacture piezoelectric transducers, from polymeric materials based on the piezoelectret technology. This intense research is justified by the excellent electromechanical properties of these devices, with piezoelectric coefficient in the order of hundreds up to thousands of pC/N, exceeding the performance of the most traditional ceramics. Other highlights of these sensors are the flexible and robust structure, its wide range response in ultrasonic frequencies and low cost. These characteristics make them very competitive with those conventional ceramic and polymeric transducers, such as the PZT and PVDF, respectively. In this context, in 2009 a new polymeric multiple film arrangement was laminated to create an open channel structure that after been exposed to an intense electric field (on the order of kV), produces a piezoelectric sensor with high piezoelectricity. This new device was built by an organized and controlled process, unlike the piezoelectrets seen so far. The main features inherent to tubular channels piezoelectret are the constructive uniformity, control of the resonance frequency and greater thermal stability, when compared to other piezoelectric polymers. Based on these tubular piezoelectrets, in the current study, a prototype of a 24dB preamplifier ultrasonic hydrophone was built. The first test with the prototype restricted to obtaining its sensitivity. Further tests were performed to characterize the pattern of directivity and signal-to-noise ratio. The calibration tests were conducted on three different approaches to signal generation AM, CW and Burst; all in a comparative manner with the aid of a calibration standard hydrophone. The results showed a transducer with average sensitivity of 0.142 mV/Pa (-196.93 dB re 1 V/&#956Pa), and the resonance region at 40 kHz with a sensitivity of 1,698 mV/Pa (-175.4 dB re 1 V/&#956Pa) and a unidirectional sensitive region. The feasibility of producing images by VA has been verified by mapping two distinct objects, a small metal sphere of 1 mm diameter and a bone structure.

Les Essais Non Destructifs (END) par ultrasons permettent de caractériser le béton, sans le dégrader en raison de leurs liens avec ses propriétés mécaniques et sa composition. Cependant, les signaux mesurés résultant de diffusions successives et multiples des ondes sont complexes à analyser. Afin d’optimiser les techniques ultrasonores, il est nécessaire de mieux comprendre les interactions onde-matière dans ce type de milieu et de modéliser au mieux les phénomènes associés. Afin d’aller au-delà des limites des modèles analytiques d’homogénéisation, dans ce travail de thèse un modèle numérique bidimensionnel décrivant la propagation d’ondes ultrasonores dans un milieu hétérogène, adapté au béton, est construit dans le logiciel SPECFEM2D. Ce modèle est comparé à des modèles analytiques, et validé expérimentalement à l’aide d’un milieu synthétique à forte hétérogénéité en comparant les deux paramètres effectifs cohérents : vitesse de phase et atténuation. Il permet également de prendre en compte la viscoélasticité du mortier par l’intermédiaire d’un facteur de qualité. Celui-ci est déterminé à partir des mesures effectuées pour une série de mortiers étudiés.L’outil numérique complet peut être utilisé à plusieurs fins: d’une part, la réalisation d’études afin d’évaluer l’influence de certains paramètres sur la propagation d’onde (la forme et la distribution des granulats), et d’autre part, la simulation des configurations de mesure mises en œuvre sur structure afin de les optimiser en fonction des paramètres qui interviennent, en particulier la fréquence des ondes. Cette meilleure maîtrise des mesures permettra de conduire à terme à l’amélioration du diagnostic. / Ultrasonic non-destructive testing (NDT) is used to characterize concrete, without degrading it, because of its relationship to its mechanical properties and composition. However, the measured signals resulting from successive diffusions and thus from multiple scattering are therefore complex to analyze. In order to optimize ultrasonic techniques, it is thus necessary to better understand the wave-material interactions in this type of medium and to better model the associated phenomena. In order to go beyond the limits of analytical homogenization models, in this thesis a two-dimensional numerical model describing the propagation of ultrasonic waves in a heterogeneous medium, adapted to concrete, is built in the SPECFEM2D software package. This model is compared to analytical models, and validated experimentally using a synthetic medium with high heterogeneity by comparing the two effective parameters of coherent waves: phase velocity and attenuation. This numerical model also makes it possible to take into account the viscoelasticity of the mortar by means of a quality factor. This quality factor is determined from measurements made for a series of mortars that we study. The complete set of numerical tools developed in this work can be used for several purposes: firstly, to carry out studies to evaluate the influence of certain parameters on wave propagation (the shape and distribution of aggregates), and secondly, the simulation of the measurement configurations implemented for a structure in order to optimize them in terms of the parameters involved, in particular the wave frequency. This better control of the measures will ultimately lead to better diagnosis.

<div>Magnesium alloys are regarded as the most promising structure materials in transportation and aerospace fields because of their low densities and high specific strengths. However, the unsatisfactory mechanical performance and corrosion resistance restrict their applications. Grain refinement is an effective way to improve the mechanical properties and widen the applications. Among which, ultrasonic shot peening shows a great potential in producing refined grains or even nanocrystalline. A nanocrystalline forms at the surface after ultrasonic shot peening treatment. The formed nanocrystalline has been proved to dramatically affect the mechanical properties, such as hardness, mechanical stress, wear resistance and fatigue life. </div><div><br></div><div> </div><div>In this dissertation, the microstructure evolution of AZ31 Mg alloy after the ultrasonic shot peening as well as its effect on the mechanical properties are investigated. The grain size, the twin structure, the surface roughness and the residual stress distribution after ultrasonic shot peening are characterized. A gradient nanostructure is achieved through ultrasonic shot peening and the thickness of this gradient nanostructure increases with prolonging the treated time. The grains at the top surface after 5 min treatment is refined to 45 nm and further refined to 42 nm for 10 min and 37nm for 15 min treatment from the XRD result. A lamellar nanocrystaline is below the top surface and a lot of tensile twins are found at the heavily deformed grains below the nanocrystalline layer. Below the twinned layer, a residual stress is distributed as deep as 400 $\mu$m in the matrix. A rough surface is obtained and the surface roughness of the 5 min treated sample was 5.934 $\mu$m, increased to 6.161 $\mu$m for10 min and 6.236 $\mu$m for 15 min. The nanocrystalline leads to the improvement of the microhardness, from 65 HV of the as-received to 123 HV, 127 HV and 145 HV for 5 min, 10 min and 15 min treatment, respectively. The tensile stress and compression stress are also improved remarkably. The yield stress is increased from 127.7 MPa of as-received to 198 MPa of 10 min treated sample and the compression stress is improved from 73 MPa to 100 MPa. The improved yield stress is attributed to the grain refinement and the work hardening of the nanocrystalline. </div><div><br></div><div> </div><div> </div><div>The wear resistance of AZ31 Mg alloy is improved greatly after ultrasonic shot peening process. The coefficient of friction and the wear rate of the ultrasonic shot peening treated sample are both lower than that of as-received. The width of the wear track of ultrasonic shot peening treated is also narrower than that of as-received, and the worn surface has a lower surface roughness. In as-received samples, abrasion and oxidation dominate the wear mechanism at low sliding speed and low applied load. The increase of sliding speed or applied load resulted in the delamination. Severe wear such as thermal softening happens with the further increase of load value or sliding speed. In ultrasonic shot peening treated samples, oxidation, the abrasion and delamination are also existing while no severe wear is found. The improved wear resistance of the ultrasonic shot peened sample is due to the improved hardness and a higher activity of oxidation during wear process. The nanocrystalline on the top surface leads to the the transition boundary between the mild wear and severe wear to a higher sliding speed and higher applied load. </div><div><br></div><div><br></div><div>The corrosion resistance of AZ31 Mg alloy before and after ultrasonic shot peening is tested in 3.5 $\%$ NaCl solution. The corrosion resistance after ultrasonic shot peening is reduced greatly because of the Fe particles at the top surface, which was exfoliated from the shot during the treating process. After a 40 $\mu$m thick polishing, Fe particles are removed totally and the corrosion resistance is improved, compared with that of as-received. The anodic current density of the nanocrystallized surface after polishing is reduced because of the compression residual stress and a rapid formation of protective layer. Meanwhile, the grain boundary acts as a physical barrier for corrosion and reduces the corrosion rate. </div><div><br></div><div><br></div><div>The bending behavior of AZ31 Mg alloy before and after ultrasonic shot peening is studied by a V-bending test. The ultrasonic shot peening treated sample has a similar bending performance even though the ductility has been reduced after ultrasonic shot peening. A single side ultrasonic shot peening (either at the inner side or the outer side) changed the bending behavior because of its asymmetric structure. The ultrasonic shot peening at the inner side for 5 min improves the bendability and longer treated, such as 10 min and 15 min degenerates the bendability to as-received. The improved bendability of 5 min treated sample is due to the drawing back of the neutral layer. The ultrasonic shot peening at the outer side for 5 min also improves the bending performance and a longer treatment of 15 min further enhanced the bendability. The improved bendability after outer side treatment is due to the high yield stress of nanocrystalline at the convex, resulting in the smaller strain here. </div>

<p>Implantable biomedical devices have been widely used to treat a variety of diseases for many decades. If allowed by the size and form factor, batteries have been the power source of choice in implantable devices (e.g., cardiac pacemakers). Batteries are, however, still big and come in shapes that are not ideal for minimally invasive deployment. Inductive powering is another commonly used energy source in which two well-aligned coils allow a transmitter to power the implanted receiver (e.g., cochlear implants). Once the receiver coil becomes small (mm-scale), the inductive powering link becomes very inefficient and sensitive to slight misalignment between the coils. Hence, it becomes increasingly difficult to power small devices implanted deep (>5 cm) within the tissue using inductive powering. Ultrasonic powering is an attractive alternative for powering miniature devices since it can penetrate deep into the tissue, it has greater efficiency at mm-scale receiver size, it can be omni-directional, and it is more amenable to miniaturization.</p> <p>In this dissertation, I describe the use of ultrasonic waves to power and control mm-scale implantable devices. After a detailed look at ultrasonic transmission link, I will discuss factors affecting the power transfer efficiency. These include the effect of receiver aspect ratio and size on the resonant frequency and factors related to acoustic and electrical matching. A 3D printed acoustic matching layer in then described. I will discuss two applications using ultrasound to power and control implantable devices. The first is a low-power on-off acoustic control scheme to reduce the standby power consumption in implantable devices. The second is an ultrasonically powered electrolytic ablator with an on-board micro-light-source for the treatment of cancer.</p>

O aluminato de magnésio (MgAl2O4; espinélio) apresenta propriedades mecânicas superiores quando comparado aos materiais cerâmicos tradicionais, tais como elevados módulo elástico (273 GPa) e resistência à flexão (110 MPa), associadas à baixa densidade (3,58 g/cm3), baixo índice de reflexão (1,736), índice de transmissão óptica elevado no espectro visível e espectros no infravermelho com comprimentos de onda médios (0,2 - 5,5 µm), além da ausência de anisotropia óptica, devido à sua estrutura cúbica. No entanto, MgAl2O4 é utilizado principalmente como material refratário, apesar de possuir grande potencial em aplicações que exijam blindagem transparente leve. Nanopartículas de espinélio já foram preparadas anteriormente por diferentes métodos. Contudo, o domínio de um processo industrial contínuo, escalonável e versátil para a preparação de MgAl2O4 dopado ainda permanece como um desafio para expandir as aplicações deste material. Dentre as vias de síntese habituais utilizadas para produzir nano-óxidos, a Pirólise de Spray gerado por Pulverização Ultrassônica (PSPU) tem sido utilizada com sucesso para sintetizar nanopartículas esféricas, nanofios, nanofitas e nanovaretas. Neste contexto, o presente trabalho confirma o potencial da PSPU para produzir espinélio dopado em um processo contínuo. A influência dos parâmetros envolvidos na síntese do aluminato de magnésio por meio desta técnica, assim como o efeito da presença do cálcio e do fluoreto de lítio sobre a morfologia e a estrutura das partículas, foram investigadas por fluorescência de raios X, difração de raios X, espectroscopia no infravermelho, granulometria por difração laser, microscopia eletrônica de varredura e adsorção de N2. Finalmente, as propriedades mecânicas do produto final sinterizado foram avaliadas visando estabelecer uma correlação com as condições de síntese. O processo de síntese de aluminato de magnésio por meio do sistema de PSPU desenvolvido nas dependências do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo demostrou-se eficaz para a produção de amostras de aluminato de magnésio puro após a etapa de sinterização, desde que respeitada a estequiometria do composto após a etapa de síntese. Por meio desta técnica, esferas micrométricas de MgAl2O4 dopadas com Ca(NO3)2 e LiF, apresentando tamanhos médios de cristalito na faixa de 3,5 - 7,0 nm e áreas de superfície específicas de 20 a 40 m2/g, foram produzidas como aglomerados esféricos de aproximadamente 2,5 µm. Durante o processo, as partículas permaneceram a temperaturas elevadas durante um curto período de tempo (de 35 a 70 segundos), permitindo a estabilidade de fases e aumento do tamanho de grãos limitado. Destaca-se ainda que as condições de síntese e/ ou incorporação de aditivos devem ser ajustados para a obtenção de amostras com maior área de superfície específica após a PSPU, o que acarretará em um produto final sinterizado com maior teor de densificação e dureza. Dessa forma, os melhores resultados foram obtidos a maiores temperaturas de pirólise e com incorporação do aditivo LiF, demonstrado a necessidade de futuros estudos mais aprofundados a respeito dos limites máximos destas variáveis para a obtenção de um produto final otimizado. Finalmente, as propriedades balísticas das amostras também foram analisadas através da aplicação de fórmulas empíricas para avaliação da fragilidade (B) e da habilidade do material dissipar energia balística (critério D), onde se observou que as amostras sintetizadas sem aditivos apresentaram boa concordância em relação aos valores reportados na literatura para a alumina. A amostra aditivada com LiF, no entanto, apresentou um incremento no critério D de cerca de 43% em relação à alumina com 99,7% de pureza, evidenciando o efeito deste aditivo nas propriedades balísticas do aluminato de magnésio produzido pela PSPU. / Magnesium aluminate (MgAl2O4; spinel) possesses superior mechanical properties when compared to traditional ceramic materials, such as high elastic modulus (273 GPa) and flexural strength (110 MPa), associated with low density (3.58 g/cm3), low reflection index (1.736), high optical transmission in visible and mid-wavelength infrared spectra (0.2 - 5.5 µm), and no optical anisotropy due to its cubic structure. However, MgAl2O4 is primarily used as a refractory material, despite its great potential as a transparent lightweight armor. Spinel nanoparticles have been previously prepared by different methods. Nevertheless, a continuous, scalable, and versatile process for the preparation of doped MgAl2O4 still remains a challenge for expanding applications. Among the usual synthesis routes used to produce nano-oxides, Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) has been successfully employed to synthesize nanoparticles as spheres, nanowires, nanoribbons and nanorods. In this context, the present work confirms the potential of USP to produce doped spinel in a continuous setup. The influence of the parameters involved in the synthesis of magnesium aluminate through this technique, as well as the effect of the presence of calcium and lithium fluoride on the morphology and structure of the particles, were investigated by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, laser diffraction for particle size analysis, scanning electron microscopy and N2 adsorption. Finally, the mechanical properties of the sintered product were evaluated in order to establish a correlation with the synthesis conditions. The magnesium aluminate synthesis process through the USP system developed at the Department of Metallurgical and Materials Engineering of the Polytechnic School of the University of São Paulo was effective for the production of pure magnesium aluminate samples after the sintering stage, if the stoichiometry of the compound after the synthesis step is observed. Through this technique, micrometric spheres of Ca(NO3)2 and LiF doped MgAl2O4 with crystallite size in the range from 3.5 - 7.0 nm and specific surface areas varying from 20 to 40 m2/g, were produced as spherical agglomerates of approximately 2.5 µm. During the process, the particles stay at high temperatures for a short period (from 35 to 70 seconds), allowing phase stability and limited coarsening. It should also be noted that the synthesis conditions and / or the incorporation of additives must be adjusted in order to obtain samples with greater specific surface area after the USP, which will result in a sintered final product with a higher densification and hardness. Therefore, the best results were obtained at higher pyrolysis temperatures and with the incorporation of LiF additive, demonstrating the need for further studies on the maximum limits of these variables to obtain an optimized final product. Finally, the ballistic properties of the samples were also analyzed by the application of empirical formulas to evaluate the brittleness (B) and the ability of the material to dissipate ballistic energy (criterion D), where it was observed that the samples synthesized without additives showed good agreement with the values reported in the literature for alumina. The sample containing LiF additive, however, showed an increase in the D criterion of about 43% in relation to alumina with 99.7% purity, evidencing the effect of this additive on the ballistic properties of magnesium aluminate produced by USP.