1-Enquadramento e Projectos de Investigação

Na Europa a área emergente das nanociências e nanotecnologias são uma das áreas principais de investigação contemplada no 6º Programa-Quadro, com um investimento estimado para este sector na ordem de €1.3 Bn entre 2003 e 2007 O CFUM participa em vários projectos financiados por organismos nacionais e 6 projectos europeus na área das nanociências e nanotecnologias.

Os diferentes grupos de investigação do CFUM- Centro de Física da Universidade do Minho apostam na investigação científica e tecnológica de vanguarda a nível internacional desenvolvendo uma crescente e importante actividade em diversos domínios tecnológicos emergentes, nomeadamente: síntese, processamento e caracterização de nanomateriais e revestimentos nanoestruturados, micro e nanotecnologias, energias renováveis, etc…

Os projectos de Investigação e Desenvolvimento Tecnológico das Nanotecnologias envolvendo tecnologias de filme finos têm como objectivo principal promover a Inovação em Ciência e Tecnologia de Nanomateriais, relacionada com a Ciência de Superfícies e Revestimentos Funcionais com especial incidência no desenvolvimento de novos materiais inteligentes (onde se destacam como potenciais aplicações os sectores estratégicos da indústria automóvel, metalomecânica, indústria biomédica, têxteis e polímeros técnicos) e superfícies avançadas que incorporem sistemas eficientes de energia (colectores solares ultra-eficientes, “smart windows” para edíficios e automóveis, células fotovoltaicas, vestuário com controle energético, superfícies anti-sujidade e autolaváveis, etc.)

Os materiais considerados nanoestruturados são todos aqueles que se apresentam, pelo menos numa dimensão, com tamanho na ordem de nanómetros (10^{-9 m), geralmente menores que 100 nm. Os novos comportamentos à nanoescala não são necessariamente previstos a partir daqueles observados à escala macroscópica. As variações mais significativas são causadas não pela ordem de grandeza da redução no tamanho, mas pelos novos fenómenos observados, que são intrínsecos ou tornam-se dominantes em nanoescala. Estes fenómenos incluem confinamento devido ao tamanho, predominância de fenómenos de interface (na nanoescala, a relação superfície/volume é particularmente dominante) e fenómenos quânticos.}

O programa de investigação e desenvolvimento (I&D) do Grupo de Revestimentos Funcionais (GRF) do Centro de Física da Universidade do Minho (CFUM) tem por objectivo a pesquisa fundamental e aplicada nos processos de síntese e de caracterização de revestimentos finos obtidos a partir da deposição física de vapores em vácuo (processo PVD) permitindo o desenvolvimento de novos conceitos de materiais na forma de revestimentos, design de multicamadas à escala nanométrica e melhoria do desempenho dos revestimentos para uma dada aplicação científica ou tecnológica. Na actividade de I&D do GRF é dada especial ênfase aos aspectos de física e ciência de materiais que são cruciais para a inter-relação entre a síntese, microestrutura/composição, propriedades físicas e termo-mecânicas e modelação /simulação de revestimentos funcionais multicamada e nanoestruturados.

Assim, pode-se considerar que as áreas de Investigação e Desenvolvimento do GRF se ligam fundamentalmente à inovação em funcionalização de superfícies por tecnologias de revestimentos PVD (PVD significa Physical Vapor Deposition-Deposição Física em Vácuo) cada vez mais utilizada para a deposição de revestimentos técnicos-funcionais e decorativos em várias áreas, nomeadamente na indústria metalomecânica, indústria de moldes, plásticos, vidros, indústria automóvel, de embalagens, óptica, biomédica, etc.

Uma das principais vantagens da técnica PVD, em termos ecológicos, comparada com convencionais (envolvendo electrodeposição, tratamentos químicos, pinturas, etc.) é a de ser uma tecnologia limpa, não utilizando solventes, não produzindo resíduos nem libertando gases nocivos para o ambiente. Esta tecnologia permite depositar em atmosfera de baixa pressão (vácuo) metais puros, ligas e compósitos tais como nitretos, óxidos, oxi-nitretos e carbo-nitretos com espessuras desde dezenas de nanometros a alguns microns não afectando dimensionalmente os componentes nem alterando a textura original da superfície.

A título exemplificativo, no que respeita ao desenvolvimento de revestimentos funcionais PVD para aplicações em materiais compósitos/plásticos destacam-se fundamentalmente as seguintes aplicações tecnológicas avançadas e com grande impacto na industria dos plásticos: revestimentos decorativos, revestimentos duros em moldes e plásticos inteligentes (“smart-plastic”). Na área dos “smart-plastics” cite-se.por exemplo, os revestimentos de materiais termocromáticos como o óxido de vanádio são usados em dispositivos com alteração da cor activada pela temperatura. As aplicações são inúmeras indo desde a simples decoração à segurança de produtos alimentares-farmacêuticos. Um outro exemplo na área dos materiais inteligentes consiste no desenvolvimento de sistemas de filmes multicamada com função electrocromática que apresentam elevado interesse devido às suas potenciais aplicações em “janelas inteligentes”, espelhos retrovisores para automóveis, componentes de plástico para automóveis com capacidade auto-adaptativa da sua cor, monitores não-emissivos, etc.

A aplicação de revestimentos PVD em moldes de injecção de plásticos incide fundamentalmente sobre superfícies moldantes, canais de alimentação, extractores e outros elementos móveis. Em particular as ligas de aço e aluminio utilizadas no fabrico de moldes para a indústria de plásticos, podem ver melhorados o seu desempenho por aplicação de revestimentos técnicos PVD avançados (conferindo não só protecção acrescida contra a corrosão, mas também facilitando o processo de desmoldação, diminuição de fenómenos de gripagem).

2-Cooperação Universidade-Empresa

Ao dinamizar novas áreas de investigação dos nanomateriais e nanotecnologias, formação avançada de recursos humanos altamente qualificados e sua inserção no mercado de trabalho e ao estabelecerem uma rede regional e nacional de cooperação científica e tecnológica, os projectos de investigação permitem uma efectiva transferência de tecnologia das Instituições de I&D para o tecido industrial. A articulação entre as diferentes entidades do sistema científico e tecnológico é essencialmente realizada através da investigação científica e tecnológica junto e em estreita colaboração com as empresas da região, fomentando toda uma dinâmica de apoio ao desenvolvimento de competências técnicas especializadas bem como dotando as empresas de capacidades estratégicas, estabelecendo sinergias organizacionais e tecnológicas que lhes permitam obter e sustentar vantagens competitivas como forma de garantir um melhor posicionamento nos mercados nacionais e internacionais.

3-Potenciais colaborações com a indústria

-Revestimentos funcionais decorativos/inteligentes

 (ex. Revestimentos decorativos anti-risco alternativos aos vernizes, labels de segurança para embalagens da indústria alimentar/farmacêutica, revestimentos funcionais para a indústria automóvel, filmes fotocatílticos-self-cleaning, etc.)

-Tratamentos de superfícies em metais, plásticos, têxteis, compósitos

(ex. Anti-risco e repelentes de água, auto-laváveis, metalização, filmes de Interferência, laser etching, filmes decorativos em componentes etc..)

-Energia solar e ambiente

(ex. revestimentos termocromáticos capazes de modular a trocas de energia através de janelas em edifícios, automóveis, comboios,etc; revestimentos multicamada electrocromaticos capazes de modular a transmissão de radiação e de tornar os materiais coloridos por acção de corrente eléctrica; revestimentos nanograduados e nanocompósitos inorgânicos por técnicas PVD e filmes nanocompósitos com pigmentos orgânicos para uso em colectores solares de alta eficiência, TCO-óxidos condutores transparentes para células solares fotovoltaicas,etc.)

-Nanomedicina e Nanobiotecnologia

(ex: desenvolvimento de plataformas micro-nano para detecção rápida e de baixo custo de agentes patogénicos, incorporação de filmes nanométricos-nanopartículas em embalagens de alimentos/farmacos de modo a torna-las bioactivas e/ou conferir melhor protecção contra a deterioração do conteúdo,etc..)

-Revestimentos optimizados para moldes de injecção

(ex. molde de alto brilho ou com micro-texturas, moldes de injecção metálica, vidros,etc…)

-Consultadoria na área de inovação em tratamento de superfícies e energia solar

4-Lista de projectos

Projecto Fotovoltaico Solar Tiles Envolvendo Nanotecnologia, Integração Arquitectónica e Eco-design

EU-6FP/2004: "NANOEFFECT: Nanocomposites with High Colouration Efficiency for Electrochromic Smart Plastic Devices"

EU-6FP/2004: "TERMOGLAZE: Production of thermochromic glazings for energy saving applications"

POCTI/P/CTM/11235/2001: "Spectrally Selective Coatings for Solar Energy Applications"

POCI/ENR/62660/2004: "Development of new spectrally selective coatings with organic pigments for absorbers of solar collectors"

POCTI/EME/39316/2001: "PVDCOAT-Composite and multilayered protective coatings for efficient energy systems"

POCTI/CTM/44590/2002: "SURFLAS: Modelling and laser surface treatment of ceramics"

POCI/ENR/62660/2004: "POCTI/CTM/61589/2004: "NANOCARBON-Nanocomposite coatings based in amorphous carbon and nanophases of metal-ceramic"

FCT-INL-2008:"NANOPACKSAFER: NANO-engineered PACKaging systems for improving quality, SAFEty and health characteristics of foods"

FCT-INL-2008-"NanoMeDiag- Nanobioanalytical platforms for improved medical diagnosis of infections caused by pathogen microorganisms"

FCT-INL-2008-“NanoMeDiag :”Smart joint implants using bionanocomposites”

5-Resumo de projectos aprovados FCT- International Nanotechnology Laboratory call

Projecto NANOPACKSAFER

Portugal-Spain International Nanotechnology Laboratory Nanotechnology Projects Call

NANOPACKSAFER: NANO-engineered PACKaging systems for improving quality, SAFEty and health characteristics of foods

Subject :Nanotechnologies - 2. Security and Food Quality Control

Coordinator: Lorenzo Pastrana

Facultade de Ciencias de Ourense, Universidade de Vigo

Participants:

#1 Facultade de Ciencias de Ourense, Universidade de Vigo

#2 IBB-Institute for Biotechnology and Bioengineering, Centre for Biological Engineering

#3 Centro de Física da Universidade do Minho (CFUM)

#4 Universidade de Aveiro, Dept, Química

#5 Universidad Complutense de Madrid. Facultad de Medicina. Depto Bioquímica y Biología Molecular III

#6 Novel Materials and Nanotechnology. IATA-CSIC

#7 Universidad del Pais Vasco (UPV/EHU)

Abstract:

Nanotechnology expectations for improving the safety and quality of foods are high. Food technologists expect Nanotechnology to revolutionize food production and to establish new ways of controlling and assuring food safety from farm to fork. Nowadays, food safety and quality is provided by macroscopic technologies, where processing, storage and distribution are controlled by conventional methods (e.g. HACCP). However, there are steps which are currently non-controllable leading to important quality and safety losses. This proposal aims at developing nanotechnology-based food protection strategies by providing active packaging systems (through nanoengineered edible coatings, non-edible films and/or nanoparticles) which will proactively act to maintain or even to increase food quality, safety and health impact of foods from production to consumption.

Today´s packaging systems provide in general a passive protection, acting only as a physical barrier (to e.g. UV light, gases, micro-organisms, mechanical damage) which is insufficient in many cases to guarantee the required quality levels. Recently, important steps were given in the development of active packaging systems at the micro-scale, providing a glance of what can be done with nanotechnology (e.g. melting properties, seasoning delivery, moisture and microbiological spoilage control). To achieve the goal of outermost protection given by nanoengineered active packaging solutions, this proposal includes the integrated development of: i) Edible nanofilms and nanoparticles and their production systems (U.P.V., IATA-CSIC, U.Minho); ii) Non-edible films and their production systems (U. Vigo, U.P.V., IATA-CSIC, U.Minho); iii) Toxicological compliances and bioavailability (U.Complutense); iv) Instrumental analyses for film/particle characterization and the detection, quantification and structural analysis of nanocomponents (U.Aveiro, U.Vigo) and v) Computational simulation and data analysis for the validation and establishment of production and control systems at the nanoscale (U.Minho).

“NanoMeDiag-Nanobioanalytical platforms for improved medical diagnosis of infections caused by pathogen microorganisms”

Portugal-Spain International Nanotechnology Laboratory Nanotechnology Projects Call

Subject: Nanotechnology, Nanomedicine - 1. Systems for Diagnosis

Leading Institution - Spain:

Prof. Dr. Josep Samitier Marti

Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)

Barcelona-Spain

Leading Institution - Portugal:

Prof. Dr. Vasco Teixeira

CFUM-Centro de Física da Universidade do Minho

Campus de Gualtar

PT-4700-057 Braga

Portugal

Abstract:

Objectives:

The aim of the project is to develop a low-cost high-performance nanobased multianalyte device for detection of pathogenic microorganisms in different types of samples. The active part of the biosensing platform will consist on a convenient biofunctionalized nanoestructured surface where specific biomolecular recognition reactions will be detected by means of optical/electrical transducing principles.

Two different approaches will be used to evaluate the device:

1) Detection of specific pathogenic microorganisms: Salmonella enterica serovar Typhimurium (enteric infections), Escherichia coli 0157:H7 (bloody diarrhea and occasional kidney failure), Legionella pheumophila (Legionnaire’s disease)

2) Detection of bacteria in clinical samples (blood).

This project will increase and capitalise the interdisciplinary nature of nanotechnology R&D in medicine in the iberian region and it will stimulate the take-up of nanotechnology into real applications by including end-users.

The interdisciplinar research team has already shown his scientific competences in the field of science and nanotechnology of thin films production and characterization, nanolitography, nanoimprint techniques and in the field of nano-bioanalytical devices as can be seen in the CV’s of the members. Therefore, we use firstly our previous concepts and results obtained by the research team within the frame of project on NanoMedDiag. This will allow us to reach our final objectives and to make a substantial progress in nanotechnology R&D in medicine in the iberian region, thus stimulate the take-up of nanotechnology into real applications by end-users. The project will also use the available research infrastructures and it will contribute to the scientific formation of PhD students and the formation of young post-graduated students from both countries.

A common problem for conventional biomolecular sensors is the long-term instability of the microorganisme response, bacteria selectivity and the time to reach steady-state of the response is often very long. These issues will be addressed in our project work and the approach is to carefully investigate the processing of the novel multi-nanobioanalytical platform, and to compare how different physical-chemical properties of the sensor affect the response. Emphasis is placed on those aspects of the science of nanomaterials that are concerned with the relationships between deposition, microstructure/composition, physical properties, bacteria sensing properties and modelling of nanomaterials behaviour.

“Smart joint implants using bionanocomposites”

Portugal-Spain International Nanotechnology Laboratory Nanotechnology Projects Call

Coordinator: Lanceros Mendez

Centro de Física da Universidade do Minho (CFUM)

Abstract:

Objective

The purpose of this work is to develop smart joint biomedical implants that will promote intelligent biologic host response and will be able to sense and adapt to varying service loads. Innovative composite materials and bionanotechnologies will be used based on organic matrices and inorganic fillers, tailored to attain the targeted capabilities. 

Sensing and actuating functionality will be based in the piezoelectric and piezoresistive effects, using bio-micro and -nanostructures, to add sensing, osteointegration, biomimetics and drug delivery properties to medical joint implants.

Background

Nowadays, devices for medicine have to respond to increased average human life expectancy and to afford for patient better quality of life. In the European Union, 430 000 joints each year, mostly hip and knee replacement, are made in total.

Despite all the evolution at the diagnostic/treatment level, failure mechanisms are still complex to understand and may be very painful to the patient. Failure causes are mainly correlated to biological and mechanical problems occurring at the implant interfaces. There are mainly two methods for bonding joint implant to bone skeleton: cemented and non-cemented prosthesis, each one resulting in a different manufacturing solution.

Innovation

The technology proposed implies the development of bionanocomposites combining inorganic fillers (C, Si, SiGe, TiO,HA) with organic matrices (PVDF, PMMA, epoxy), that will induce targeted functionality.

The sensor and actuator capabilities will be achieved through the use of nanocomposites of electroactive polyvinilidene fluoride (PVDF) and/or polymethil methacrilate (PMMA) with different microstructure and nanoparticle inclusions. Piezo-resistive sensors will also be developed using doped nanocrystalline Si, Ge or SiGe alloys deposited on flexible polymers and patterned into an array of resistive pixels using planar technology. The piezoresistive response will be used to monitor dynamic loading, cracking and life expectancy of the implant. It will be further used to actuate electro-thermo-mechanically encapsulated nano-tablets for selective drug-releasing. The piezoelectric signal will be improved by adding carbon nanotubes (CNT) or nanofibers (CNF) as well as metallic nanoparticles to the PVDF film. In this way, combined piezoresistive and piezoelectric sensors will enable real-time diagnostic after and during surgery, by measuring contact forces and strains, muscle convalescing and prosthesis subsidence or, alternatively, they will enable data storage. Orthopaedic specialists could then estimate implant long-term behaviour by measuring subsidence during the first two years or so after surgery.

When operated as actuators, the electronic devices will stimulate locally bone growth at prosthesis surface by dynamic loading, or they can control drug release. Drug delivery capacity will be implemented by including nanocapsules into the piezoactive matrix. The drugs delivered can be antibiotics or bone-growth and bone‑healing factors. A feedback system will allow the sensing of e.g. crack opening or propagation and the selective release of drugs, accordingly. The use of micro- and nano-particles of hidroxyhapatite (HA) has proved to improve osteocompatibility and can be used in the sensor encapsulation layer. HA will also be mixed with PMMA and PVDF to study the potential ability to improve bone cement compression and shear resistance, reduce exothermic reaction peak and post-cure shrinkage. The addition of nanoparticles to the coatings makes them opaque to X-ray radiation, thus allowing microstructural characterization of the bone-prothesis interface.

These capacities pave the way for future production of a “smart” prosthesis able to adapt to varying service conditions.   Moreover, the piezoelectric effect could be used as a possible energy source for implantable devices, converting the work done by the human body on the implant into electrical energy. Careful study of toxicity risks associated with the use of nanomaterials in medicine (such as CNTs) will be carried through.