Repositorio Yachay Tech (Univ. Yachay Tech)
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Bioprospecting of Antarctic sediments and their potential use as biocatalysts in the generation of bioelectricity using microbial fuel cells
No full textGlobal energy demand promotes the exploration of alternative technologies to replace non-renewable resources that pollute the environment. Exoelectrogenic microorganisms have proven to be very useful in the generation of bioenergy; however, their study in regions characterized by extreme conditions is limited. In this research, the objective was to evaluate the presence of exoelectrogenic microorganisms in Antarctic sediments using microbial fuel cells, which allowed to measure the voltage generated by sedimentary bacteria over time. Statistical analyses, including Kruskal-Wallis and Dunn's post-hoc tests, revealed significant differences in voltage generation between experimental replicates and controls. As a result, four of the five sediments studied showed significant potential to harbor exoelectrogenic microorganisms, especially at sampling points 1, 2, 3, and 5. Consequently, the great potential of Antarctic microorganisms to serve as sustainable energy producers in remote areas with extreme cold conditions is highlighted. This research contributes to the understanding of the exoelectrogenic capabilities of sedimentary bacteria in extreme environments and their potential uses in the production of clean energy.La demanda mundial energética promueve la exploración de tecnologías alternativas para sustituir los recursos no renovables que contaminan al medio ambiente. Los microorganismos exoelectrogénicos han demostrado ser muy útiles en la generación de bioenergía; sin embargo, su estudio en regiones caracterizadas por condiciones extremas es limitado. En esta investigación, se planteó como objetivo evaluar la presencia de microorganismos exoelectrogénicos en sedimentos antárticos utilizando pilas de combustible microbianas, las cuales permitieron medir el voltaje generado por las bacterias sedimentarias a través del tiempo. Los análisis estadísticos, que incluyeron pruebas de Kruskal-Wallis y post-hoc de Dunn, mostraron diferencias significativas en la generación de voltaje entre las réplicas experimentales y los controles. Como resultado, cuatro de los cinco sedimentos estudiados mostraron un potencial significativo de albergar microorganismos exoelectrogénicos, especialmente en los puntos de muestreo 1, 2, 3 y 5. En consecuencia, se destaca el gran potencial de los microorganismos antárticos en la producción de energía sostenible en zonas remotas con condiciones de frío extremo. Esta investigación contribuye a la comprensión de las capacidades exoelectrogénicas de las bacterias sedimentarias en ambientes extremos y sus potenciales usos en la producción de energía limpia.Biólogo/
Using theoretical spectroscopy to characterize nanoporous networks
No full textSpectroscopic and microscopic measurements have proven essential tools for characterizing structures at the nanoscale. However, these methods are still both cost-prohibitive and time-consuming. For these reasons, robust theoretical spectroscopy and microscopy methods have become an attractive alternative. In this work, we perform a theoretical spectroscopy analysis and comparison with recent experimental measurements of nanoporous networks on metallic surfaces, specifically, overlayers of 1,3,4-tris[4-(pyridine-4-yl)-[1,1’-biphenyl])benzene (TPyPPB) on Ag(111). We will use density functional theory (DFT) based methods to simulate the measured Fourier transform infrared (FTIR) spectra, resonant Raman modes, optical absorption (OA) spectra, ultraviolet photoelectron spectra (UPS), inverse photoemission spectra (IPES), and scanning tunneling microscopy (STM) of these systems. In so doing, we will provide insight into the physio-chemical mechanisms behind the formation of these nanoporous networks and the robustness of theoretical spectroscopic techniques for their more efficient characterization.Las mediciones espectroscópicas y microscópicas han demostrado ser herramientas esenciales para la caracterización de estructuras a nanoescala. Sin embargo, estos métodos siguen siendo tanto costosos como consumidores de tiempo. Por estas razones, los métodos teóricos robustos de espectroscopía y microscopía se han convertido en una alternativa atractiva. En este trabajo, realizamos un análisis de espectroscopía teórica y una comparación con mediciones experimentales recientes de redes nanoporosas en superficies metálicas, específicamente, capas superpuestas de 1,3,4-tris[4-(piridin-4-il)-[1,1’-bifenil])benceno (TPyPPB) en Ag(111). Utilizaremos métodos basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT) para simular los espectros medidos por transformada de Fourier en infrarrojo (FTIR), modos Raman resonantes, espectros de absorción óptica (OA), espectros de fotoelectrón en ultravioleta (UPS), espectros de emisión de fotoelectrón inverso (IPES) y microscopía de efecto túnel (STM) de estos sistemas. Al hacerlo, proporcionaremos información sobre los mecanismos fisicoquímicos detrás de la formación de estas redes nanoporosas y la robustez de las técnicas espectroscópicas teóricas para su caracterización más eficiente.Físico/
Theoretical insights about CZTSSe chalcogenides alloys for photovoltaic applications
No full textThe present work focuses on the theoretical study of CZTSSe type alloys for photo voltaic applications. CZTSSe alloys possess excellent optical and electronic properties, which makes them promising candidates for this application. The studied systems are Ag2ZnSnSe4, Cu2BaSnS4, Cu2CdSnS4, Cu2ZnGeS4, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 y CZTSSe. For this, we used the Vienna Ab initio Simulation Package, a program for simulating the electronic and structural properties of materials. First, the different bulk modulus were calculated, important for understanding the mechanical resistance of the system. Conse quently, the enthalpy of mixing and formation were obtained, allowing to know the stability of the compound, which compound is more favorable to form. Subsequently, band struc ture calculations helped us to identify which orbitals contribute the most to the valence and conduction bands, thus knowing the atom to add to tune the band gap. On the other hand, the calculated values of the band gap confirmed that these were semiconductors with potential for photovoltaic applications, since it was in the 1.1-1.8 eV range. This band gap range is ideal because it also permits good absorption of sunlight and efficient conversion of that light into electrical energy. It was also analyzed how these properties change by varying the composition S and Se in Cu2ZnSn(SxSe1−x) (CZTSSe), using values of 0.25, 0.50, 0.375, 0.625, and 0.75. Finally, it was determined that the best composition of CZTSSe alloys for photovoltaic applications is S0.75Se0.25 due to its good band gap value (1.55 eV), formation enthalpy (-0.44579 eV/atom), and mechanical resistance (65.628 GPa).El presente trabajo se centra en el estudio teórico de aleaciones tipo CZTSSe para aplicaciones fotovoltaicas. Las aleaciones CZTSSe poseen excelentes propiedades ópticas y electrónicas, lo que las convierte en candidatas prometedoras para esta aplicación. Los sistemas estudiados son Ag2ZnSnSe4, Cu2BaSnS4, Cu2CdSnS4, Cu2ZnGeS4, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 y CZTSSe. Para ello, se utilizó el paquete de simulación Vienna Ab initio, que es un programa para simular propiedades electrónicas y estructurales de materiales. En primer lugar, se calcularon los diferentes módulos de bulto, que son importantes para conocer la resistencia mecánica del sistema. Luego, se obtuvieron la entalpía de mezcla y formación, lo que permite conocer la estabilidad del compuesto, es decir cual compuesto es m´ as favorable a formarse. Posteriormente, los cálculos de estructuras de bandas nos ayudaron a identificar que orbitales contribuyen más a la formación de las bandas de valencia y conducción, por ende, saber que átomo agregar para tunear la banda prohibida. Por otro lado, los valores calculados de la banda prohibida confirmaron que se trataba de semiconductores con potencial para aplicaciones fotovoltaicas, ya que se encontraban dentro del rango de 1.1-1.8 eV. Este rango de band gap es ideal porque permite una buena absorción de la luz solar y una conversión eficiente de esa luz en energía eléctrica. También se analizó como cambian estas propiedades al variar la composición de S y Se en Cu2ZnSn(SxSe1−x) (CZTSSe), utilizando valores de 0.25, 0.50, 0.375, 0.625 y 0.75. Finalmente, se determinó que la mejor composición de las aleaciones CZTSSe para aplicaciones fotovoltaicas es S0.75Se0.25 debido a un buen valor de band gap (1.55 eV), su valor de entalpía de formación (-0.44579 eV/átomo) y resistencia mecánica (65.628 GPa).Químico/
Characterization of Ecuadorian native clays for the absorption of contaminants in water
No full textThe natural clay found in San Sucre, Ecuador, is a resource unknown even by its inhabitants. Still, it has economic and environmental potential, especially for being useful for applications related to filtration and water treatment systems. However, given the lack of detailed knowledge about their composition and properties, a thorough characterization of clays is essential. Despite originating from the same source, the clays were separated into two types: "Clay A" and "Clay B," internal identifiers based on slight color variation. They were then subjected to five characterization methods crucial for their complete description. Firstly (i) X-ray diffraction (XRD) was employed to identify the clay minerals present in the samples and therefore their crystalline structure. Subsequently with (ii) Raman spectroscopy, the vibrational modes inherent to the molecular structure of the clay were analyzed. With (iii) Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy, the vibrational modes of the functional groups that clay possesses were found; With (iv) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the surface chemical composition and bondings were studied; and (v) the morphology was explored with the scanning electron microscopic technique (SEM-XPS), using Auger Electron Spectroscopy (AES) mode. Through the study, several subtle structural and compositional distinctions have been discerned between Clay A and Clay B. Specifically, Clay A demonstrated a compact structure with a heightened presence of the clay mineral kaolinite, while Clay B manifested a more porous structure characterized by a greater prevalence of dolomite. These findings have culminated in the proposal of a filtration system integrating native clays, activated carbon, alginate, and chitosan to effectively eliminate Escherichia coli (E. coli) from contaminated water sources. The microbiological analysis was conducted in collaboration with the University of ESPE to evaluate the effectiveness of this system. However, the analysis performed on Clay A demonstrated its inability to filter E. coli. This may be primarily due to the pore size and composition of Clays A and B, which makes them effective cationic adsorbents but not suitable for anionic contaminants like E. coli.La arcilla natural encontrada en San Sucre, Ecuador, es un recurso desconocido incluso para sus habitantes. Sin embargo, tiene un potencial económico y ambiental, especialmente por ser útil para aplicaciones relacionadas con la filtración y los sistemas de tratamiento de agua. Sin embargo, dado el desconocimiento detallado sobre su composición y propiedades, es esencial una caracterización exhaustiva de las arcillas. A pesar de originarse de la misma fuente, las arcillas se separaron en dos tipos: "Arcilla A" y "Arcilla B," identificadores internos basados en una ligera variación de color. Luego, fueron sometidas a cinco métodos de caracterización cruciales para su descripción completa. En primer lugar, se empleó (i) la Difracción de Rayos X (DRX) para identificar los minerales de arcilla presentes en las muestras y, por lo tanto, su estructura cristalina. Posteriormente, con (ii) la espectroscopía Raman, se analizaron los modos vibracionales inherentes a la estructura molecular de la arcilla. Con (iii) la Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), se encontraron los modos vibracionales de los grupos funcionales que posee la arcilla; con (iv) la Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS), se estudiaron la composición química superficial y las uniones; y (v) la morfología se exploró con la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM-XPS), utilizando el modo de espectroscopía de electrones Auger (AES). A través del estudio, se han discernido varias distinciones estructurales y composicionales sutiles entre la Arcilla A y la Arcilla B. Específicamente, la Arcilla A demostró una estructura compacta con una mayor presencia del mineral de arcilla caolinita, mientras que la Arcilla B manifestó una estructura más porosa caracterizada por una mayor prevalencia de dolomita. Estos hallazgos han culminado en la propuesta de un sistema de filtración que integra arcillas nativas, carbón activado, alginato y quitosano para eliminar eficazmente Escherichia coli (E. coli) de fuentes de agua contaminadas. El análisis microbiológico se realizó en colaboración con la Universidad de ESPE para evaluar la efectividad de este sistema. Sin embargo, el análisis realizado en la Arcilla A demostró su incapacidad para filtrar E. coli. Esto puede deberse principalmente al tamaño de los poros y la composición de las Arcillas A y B, lo que las hace efectivas como adsorbentes catiónicos pero no adecuadas para contaminantes aniónicos como E. coli.Ingeniero/a en Nanotecnologí
Engineering of hybrid catalysts: photo-piezo catalysis based on BiFeO3/BiOCl nanosheets
No full textCatalysis is a transcendental process that occupies a fundamental place in chemical synthesis, industry and biological processes. In particular, photocatalysis is an advanced process with a wide field of application in green chemistry, however, the effectiveness of this process is limited to the recombination of the photogenerated hole-electron pair in the catalyst surface. On the other hand, piezo catalysis has a high degree of mechanical energy conversion used for catalytic activity. If these two forms of catalysis are combined, higher catalytic efficiency is expected.
This study aims to synthesize a novel hybrid photo-piezo-catalyst based on BiFeO3 and BiOCl. Hybrid catalyst BiFeO3/BiOCl was synthesized via hydrothermal synthesis from the bismuth precursors with high purity and yield. Chemical composition of the hybrid catalyst was determined by spectroscopic techniques as FTIR, XRD, EDS and XPS demonstrating the presence of Bi, Fe, O, and Cl in a stable material. Morphologic analysis was performed with TEM and SEM microscopies, micrograph shows the presence of nanometric and micrometric structures with morphologies intermediate to those observed for BiFeO3 and BiOCl precursors. Band-gaps of 2.3 eV and 2.78 eV were determined (UV-Vis) for BiFeO3 and BiOCl inside the hybrid material respectively.
The photo-piezo catalysis activity of the hybrid was determined by Rhodamine B degradation assays (UV-Vis) using a homemade photoreactor equipped with a Xenon lamp and an ultrasonic bath. Degradation assays with BiFeO3/BiOCl hybrid catalyst demonstrated the synergic activity of photo and piezo stimulation as the degradation of Rhodamine reached 98%, whereas 58% and 89% of degradation were reached with piezo catalysis (BiFeO3) and photocatalysis (BiOCl) respectively. Scavengers assays with AgNO3, tert-butanol, 2-propanol and formic acid demonstrated that degradation catalysis goes via superoxide production as tert-butanol test inhibited 100% of Rhodamine degradation.
Finally, the hybrid material demonstrated effective antibacterial activity against Escherichia coli. This capability suggests its potential use in applications requiring antimicrobial properties, such as water purification, medical devices, and coatings, contributing to improved health and safety outcomes.La catálisis es un proceso trascendental que ocupa un lugar fundamental en la síntesis química, la industria y en los procesos biológicos. En particular, la fotocatálisis es un proceso avanzado con un amplio campo de aplicación en la química verde, sin embargo, la eficacia de este proceso está limitada a la recombinación del par agujero-electrón fotogenerado en la superficie del catalizador. Por otro lado, la piezo catálisis tiene un alto grado de conversión de energía mecánica utilizada para la actividad catalítica. Si se combinan estas dos formas de catálisis, se espera una mayor eficiencia catalítica.
El objetivo de este estudio es sintetizar un nuevo foto-piezo catalizador híbrido basado en BiFeO3 y BiOCl. El catalizador híbrido BiFeO3/BiOCl se obtuvo con alta pureza y rendimiento mediante síntesis hidrotérmica a partir de los precursores de bismuto. La composición química del catalizador híbrido se determinó mediante técnicas espectroscópicas como FTIR, XRD, EDS y XPS demostrando la presencia de Bi, Fe, O, y Cl en el material estable. El análisis morfológico se realizó con microscopías TEM y SEM, las micrografías muestra la presencia de estructuras nanométricas y micrométricas con morfologías intermedias a las observadas para los precursores de BiFeO3 y BiOCl. Se determinaron los band-gaps de 2,3 eV y 2,78 eV (UV-Vis) para BiFeO3 y BiOCl en el interior del material híbrido, respectivamente.
La actividad foto-piezo catalítica del híbrido se determinó mediante ensayos de degradación de Rodamina B (UV-Vis) utilizando un foto reactor casero equipado con una lámpara de Xenón y un baño ultrasónico. Los ensayos de degradación con el catalizador híbrido BiFeO3/BiOCl demostraron la actividad sinérgica de la foto y la piezo estimulación, ya que la degradación de la rodamina alcanzó el 98%, mientras que con la piezo catálisis (BiFeO3) y la fotocatálisis (BiOCl) se alcanzó un 58% y un 89% de degradación respectivamente. Los ensayos con AgNO3, tert- butanol, 2-propanol y ácido fórmico demostraron que la catálisis de la degradación pasa por la producción de superóxido, ya que en el ensayo con tert-butanol se inhibió el 100% de la degradación de la rodamina.
Finalmente, el material híbrido demostró una eficaz actividad antibacteriana frente a Escherichia coli. Esta capacidad sugiere su uso potencial en aplicaciones que requieren propiedades antimicrobianas, como la purificación del agua, los dispositivos médicos y los revestimientos, lo que contribuye a mejorar la salud y la seguridad.Magíster en Ciencias Químicas con Mención en Ciencia e Ingeniería de los Materiale
Synthesis Methods, Properties, and Modifications of Biochar-Based Materials for Wastewater Treatment: A Review
No full textThe global impact of water and soil contamination has become a serious issue that affects the world and all living beings. In this sense, multiple treatment alternatives have been developed at different scales to improve quality. Among them, biochar has become a suitable alternative for environmental remediation due to its high efficiency and low cost, and the raw material used for its production comes from residual biomass. A biochar is a carbonaceous material with interesting physicochemical properties (e.g., high surface area, porosity, and functional surface groups), which can be prepared by different synthesis methods using agricultural wastes (branches of banana rachis, cocoa shells, cane bagasse, among others) as feedstock. This state-of-the-art review is based on a general description of biochar for environmental remediation. Biochar’s production, synthesis, and multiple uses have also been analyzed. In addition, this work shows some alternatives used to improve the biochar properties and thus its efficiency for several applications, like removing heavy metals, oil, dyes, and other toxic pollutants. Physical and chemical modifications, precursors, dopants, and promoting agents (e.g., Fe and N species) have been discussed. Finally, the primary uses of biochar and the corresponding mechanism to improve water and soil quality (via adsorption, heterogeneous photocatalysis, and advanced oxidation processes) have been described, both at laboratory and medium and large scales. Considering all the advantages, synthesis methods, and applications, biochar is a promising alternative with a high potential to mitigate environmental problems by improving water and soil quality, reducing greenhouse gas emissions, and promoting the circular economy through residual biomass, generating value-added products for several uses
Understanding the formation and evolution of galactic superbubbles
No full textGalactic superbubbles are lobe-like structures that are created by intense episodes of star formation, occurring in the discs of spiral galaxies. Star formation processes are important feedback mechanisms in such galaxies as they permit the exchange of gas and dust between the interstellar and circumgalactic media. Observationally, superbubbles are detected via emission or absorption line studies of atomic and molecular species, but telescope information is projected, so numerical simulations are needed to understand their 3D structure. In this thesis we resort to hydrodynamical simulations to numerically study the 3D structure of such superbubbles. We include stratified galactic atmospheres using analytical prescriptions, which are then used as initial conditions in our numerical models. Our simulations explore the effect of changing the turbulence strength parameter (σ_t), which controls the disc morphology, its initial cloud distribution, and the atmosphere kinematical profile. We find that galactic superbubbles arise from interactions between SF winds and the ISM in the disc. Their formation is favoured by higher σ_t values, as they allow for a better channeling mechanism than low σ_t. At the end, σ_t> 60, km s^(-1) are needed to produce superbubbles that resemble those found in the Galactic centre of the Milky Way. Recent studies show that the Galactic centre harbours a chimney in the northern direction, which currently lacks a theoretical explanation. This study contributes to the understanding of this feature.Las superburbujas galácticas son estructuras en forma de lóbulo que son creadas por episodios intensos de formación estelar, que ocurren en los discos de galaxias espirales. Los procesos de formación estelar son mecanismos de retroalimentación importantes en tales galaxias, ya que permiten el intercambio de gas y polvo entre los medios interestelar y circungaláctico. Observacionalmente, las superburbujas se detectan mediante estudios de líneas de emisión o absorción de especies atómicas y moleculares, pero la información del telescopio está proyectada, por lo que se necesitan simulaciones numéricas para entender su estructura tridimensional. En esta tesis recurrimos a simulaciones hidrodinámicas para estudiar numéricamente la estructura tridimensional de tales superburbujas. Incluimos atmósferas galácticas estratificadas utilizando prescripciones analíticas, que luego se utilizan como condiciones iniciales en nuestros modelos numéricos. Nuestras simulaciones exploran el efecto de cambiar el parámetro de fuerza de turbulencia (σ_t), que controla la morfología del disco, su distribución inicial de nubes y el perfil cinemático de la atmósfera. Encontramos que las superburbujas galácticas surgen de las interacciones entre los vientos de formación estelar y el medio interestelar en el disco. Su formación es favorecida por valores más altos de σ_t, ya que permiten un mecanismo de canalización mejor que los valores bajos de σ_t. Al final, se necesitan σ_t> 60, km s^(-1) para producir superburbujas que se asemejen a las encontradas en el centro galáctico de la Vía Láctea. Estudios recientes muestran que el centro galáctico alberga una chimenea en dirección norte, que actualmente carece de una explicación teórica. Este estudio contribuye a la comprensión de esta estructura.Físico/
Analysis of the winds that influence Ecuador considering the presence of the Ecuadorian Andes using the Model for Prediction Across Scales (MPAS)
No full textUnderstanding the physical dynamics governing atmospheric processes and their interaction with topographical features of the terrain is essential for accurate weather and climate prediction. This study employs the Model for Prediction Across Scales (MPAS) to investigate the impact of the Andes Mountains on wind patterns, relative humidity, and precipitation in Ecuador. Simulations were conducted across four scenarios with different mountain heights: actual height, half the height, 10% of the height, and 1% of the height. The results indicate significant disturbances in wind patterns and elevated humidity levels in real terrain simulations, particularly during El Niño events. In contrast, flatter terrain simulations exhibit uniform wind patterns and consistent humidity values. Additionally, precipitation maps show high variability in regions influenced by elevation, underscoring the Andes' critical role in shaping regional climate dynamics. These insights contribute to a deeper understanding of the intricate relationship between terrain topography and atmospheric processes in Ecuador.Comprender las dinámicas físicas que gobiernan los procesos atmosféricos y su interacción con las características topográficas del terreno es esencial para la predicción precisa del clima y el tiempo. Este estudio emplea el Modelo de Predicción a Escalas (MPAS) para investigar el impacto de la Cordillera de los Andes en los patrones de viento, la humedad relativa y la precipitación en Ecuador. Se realizaron simulaciones en cuatro escenarios con diferentes alturas de la montaña: altura real, mitad de la altura, 10% de la altura y 1% de la altura. Los resultados indican perturbaciones significativas en los patrones de viento y niveles elevados de humedad en las simulaciones con el terreno real, especialmente durante eventos de El Niño. En contraste, las simulaciones con terrenos más planos muestran patrones de viento uniformes y valores de humedad consistentes. Además, los mapas de precipitación revelan una alta variabilidad en las regiones influenciadas por la elevación, lo que subraya el papel crítico de los Andes en la configuración de las dinámicas climáticas regionales. Estos hallazgos contribuyen a una comprensión más profunda de la relación intrincada entre la topografía del terreno y los procesos atmosféricos en Ecuador.Físico/
Nano-engineered cement
No full textConcrete is one of the most commonly used materials in the construction industry due to its desirable performance, easily accessible ingredients, and low cost. However, it is typically characterized as a quasi-brittle material with low tensile strength and low strain capacity, making it more susceptible to cracks and poor durability. To address this challenge, micro and macro fibers (e.g., polypropylene, nylon, polyethylene, and steel bars) have been incorporated into concrete to create a composite material that exhibits improved performance in both tension and compression modes. Despite these enhancements, fibers can only delay the development of microcracks and do not prevent their initiation at the nano scale. Therefore, there is growing interest in merging the intrinsic properties of carbon-based nanostructures (CNS) into the cement matrix, leading to the development of nano-engineered cement. Nano-engineered materials have demonstrated significant improvements in their mechanical, electrical, and thermal properties compared to their counterparts at larger scales. However, one of the main difficulties in the synthesis of nanocement is the homogeneous dispersion of the CNS into the cement polymeric matrix. CNS, due to their stable sp2 hybridization, are chemically inert and incompatible with many solvents, making it challenging to achieve a uniform dispersion. In this work, our aim is to produce nano-engineered cement by directly incorporating CNS into the cement matrix through two approaches: in-situ via chemical vapor deposition (CVD) or ball milling. A graphene/cement composite is created by growing graphene directly into the cement matrix via CVD. In a second experiment, graphene is first produced by CVD and then milled with cement to induce mechanical functionalization. The structural analysis, surface morphology, and surface interactions of the nanocement are characterized using Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), and a universal testing machine (UTM) to evaluate the efficiency in the preparation of a nano-engineered cement composite.El hormigón es ampliamente utilizado en la industria de la construcción debido a su rendimiento deseable, la accesibilidad de sus ingredientes y su bajo costo. Sin embargo, se caracteriza por ser un material quasi-frágil, exhibiendo baja resistencia a la tracción y escasa capacidad de deformación, lo que lo hace más susceptible a grietas y reduce su durabilidad. Con el objetivo de abordar este problema, se han incorporado fibras, tanto micro como macro (polipropileno, nailon, polietileno y barras de acero), al concreto, creando así un material compuesto con mejoras en su rendimiento tanto en tensión como en compresión. A pesar de estas mejoras, las fibras solo logran retrasar el desarrollo de microfisuras y no evitan su inicio a escala nanométrica. Por lo tanto, ha surgido un creciente interés en fusionar las propiedades intrínsecas de las nanoestructuras basadas en carbono (CNS) en la matriz del cemento, dando lugar al desarrollo de cemento nano-modificado (nanocemento). Los materiales modificados a escala nanométrica han demostrado mejoras significativas en sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas en comparación con sus homólogos a mayor escala. Sin embargo, una de las principales dificultades en la síntesis del nanocemento radica en lograr una dispersión homogénea de las CNS en la matriz hidráulica del cemento. Los CNS, debido a su hibridación estable sp2, son químicamente inertes e incompatibles con muchos disolventes, lo que dificulta alcanzar una dispersión uniforme. En este trabajo, nuestro objetivo es producir cemento mediante nanoingeniería incorporando directamente CNS en la matriz del cemento a través de dos enfoques: in situ mediante deposición química de vapor (CVD) o utilizando un molino de bolas. En el primer experimento, se crea un compuesto de grafeno/cemento cultivando grafeno directamente en la matriz de cemento mediante CVD. En el segundo experimento, se produce grafeno mediante CVD y luego se muele con cemento para inducir la funcionalización mecánica. Las propiedades estructurales, morfológicas e interacciones superficiales del nanocemento se analizan mediante diversas técnicas analíticas, que incluyen espectroscopia Raman, difracción de rayos X en polvo (XRD), espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS), microscopía electrónica de barrido (SEM), análisis termogravimétrico (TGA) y pruebas mecánicas realizadas con una máquina de ensayo universal (UTM). El objetivo principal de este análisis es evaluar la eficacia en la preparación del compuesto de cemento nano-modificado.Ingeniero/a en Nanotecnologí
First-principles analysis of electronic and optical properties of selected Na-Sb phases
No full textDeveloping ultra-bright electron beams in modern particle accelerators is driving new experimental techniques. Novel photocathode materials can significantly contribute to improving these facilities. The project aims to develop new materials for vacuum electron sources in particle accelerators, an active research field. Ab initio calculations can predict the electronic structure of target systems, but many-body perturbation theory calculations are too costly for large-scale material screening. Regarding accuracy and computational feasibility, density functional theory is the top choice. This project will characterize the electronic structure of sodium-antimonide phases, and an emerging semiconductor class will be explored as photocathode material. Different crystal structures with varying compositions will be used as input to access the electronic eigenstates and eigenvalues. This will help identify the relevant changes in the electronic and optical properties concerning different structures and stoichiometries. We will examine the band structure and density of states (DOS), which can be separated into atom-projected contributions. Our findings indicate that the SCAN functional is highly suitable for precision, computational speed, and overall enhancement compared to the PBE and HSE06 functional. At last, we will evaluate how well the three functionals mentioned earlier capture the spin-orbit coupling (SOC) effects in the materials we are studying. These effects are important because the materials contain heavy atoms.El desarrollo de haces de electrones ultrabrillantes en los modernos aceleradores de partículas está impulsando nuevas técnicas experimentales. Los nuevos materiales de fotocátodos pueden contribuir significativamente a mejorar estas instalaciones. El proyecto tiene como objetivo desarrollar nuevos materiales para fuentes de electrones de vacío en aceleradores de partículas, que es un campo de investigación activo. Los cálculos ab initio pueden predecir la estructura electrónica de los sistemas objetivo, pero los cálculos de la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos son demasiado costosos para la detección de materiales a gran escala. La teoría del funcional de densidad ofrece el mejor compromiso entre precisión y viabilidad computacional. En este proyecto, se caracterizará la estructura electrónica de las fases de antimonuro de sodio, que es una clase emergente de semiconductores explorados como material de fotocátodo. Se utilizarán diferentes estructuras cristalinas con diferentes composiciones como entrada para acceder a los estados y valores propios electrónicos. Esto ayudará a identificar los cambios relevantes en las propiedades electrónicas y ópticas con respecto a diferentes estructuras y estequiometrías. Se inspeccionará la estructura de bandas y la densidad de estados (DOS), que se descompone aún más en contribuciones proyectadas por átomos. Nuestros resultados muestran que el funcional SCAN es una excelente opción en términos de precisión y eficiencia computacional y una mejora general del funcional PBE y HSE06. Finalmente, se evaluará el desempeño de los tres funcionales antes mencionados en la descripción de los efectos del acoplamiento espín-órbita (SOC), que se sabe que son relevantes en los materiales investigados, ya que están compuestos por especies atómicas relativamente pesadas.Químico/