Persistent luminescence of SrAl2O4:Ce(III), Dy, Eu nanotubes, nanowires and core-shells for people with disabilities: nano-emergency

Abstract

Este estudo transversal está focado na propriedade de luminescência persistente do aluminato de estrôncio co-dopado com cério (III), disprósio (III) e európio (II), SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, em sistemas de sinalização de áreas de risco e emergências para pessoas com deficiências. Na área da ciência e engenharia dos materiais, foram desenvolvidos novos materiais com características nanométricas, nanotubos, nanoarames e nanobastões luminescentes de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ para aplicações na área da reabilitação e acessibilidade de pessoas com deficiências. Os nanotubos foram obtidos a partir de micro- e nano-partículas precursoras sintetizadas por reacção do estado-sólido e tratamento térmico de recozedura (1273-1473 K). Os nanoarames e nanobastões foram preparados por moagem, sonificação e recozedura (373 K). Novas nanocápsulas de aluminatos luminescentes dopados com cério (III) e encapsulados com TiO2 foram criadas de modo a obter-se materiais multifuncionais, designadamente com acção fotocatalítica antimicrobiana, antibacteriana e resistência à água. Tais aluminatos podem ser amplamente aplicados como superfícies higiénicas, auto-limpantes, em biomateriais, no domínio de medicamentos antibióticos, na formulação de vacinas, e com ênfase à aplicação em cerâmicas fotoluminescentes. As metodologias de obtenção de tais nanoestruturas de aluminato de estrôncio dopado com cério (III) e do seu encapsulamento, desenvolvidas no âmbito desta tese, são aplicáveis a diversos aluminatos dopados com outros iões lantanídeos (Ln consiste em La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Tm ou Lu) com a fórmula M(1-x-y)N2O4:Cex, Lny, onde M é Be, Mg, Ca, Sr ou Ba. Na área da oftalmologia, foi desenvolvido um equipamento médico para o diagnóstico de biofuncionalidade das células retinais fotoreceptoras, e como suporte à telemedicina oftalmológica. Este equipamento foi utilizado para realizar testes de visão cromática FM100HUE em fundo branco/preto para a personalização de materiais luminescentes. Os resultados demonstraram uma biofuncionalidade celular à visibilidade fotópica das cores em fundo preto superior no grupo de tratamento, composto por pessoas com retinopatia diabética (n=38), em comparação ao grupo de referência (n=38). Estes resultados sugerem a recomendação de materiais com fotoluminescência persistente (λem=485-555 nm), incluindo SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, para o referido grupo de tratamento, em sinalização de emergência e em ambientes de baixa iluminação. Na área da arquitectura, foi proposta uma nova aplicação dos referidos nanomateriais luminescentes à base de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ em cerâmica de revestimento, tendo em vista a sua boa visibilidade e uso por pessoas com deficiências. Novos pavimentos, cerâmicos, fotoluminescentes, foram desenhados com propriedades multisensoriais (contraste táctil, sonoro e visual) e antimicrobianas, para pessoas portadoras de deficiências utilizarem, no escuro, com a prioridade de salvar vidas em emergências. Tais pisos, com relevos, podem ser combinados de modo a compor um sistema exclusivo de sinalização fotoluminescente multisensorial que possibilita a rápida evacuação mediante o uso de auxílios de mobilidade (e.g. bengala, cadeira de rodas, andadores, muletas). A solução integrada de tais inovações que potencializa a propriedade de luminescência persistente de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ de modo acessível para as pessoas com deficiências, pode contribuir para salvar vidas, no escuro, em emergências.

This transversal study is focused on the persistent luminescence property of the strontium aluminate co-doped with cerium (III), dysprosium (III) and europium (II), SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, in signalling systems of risk areas and emergencies for people with disabilities. In the area of materials science and engineering, new nanostructured luminescent materials were developed, SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ nanotubes, nanowires and nanorods, for applications in rehabilitation and accessibility for people with disabilities. The nanotubes were obtained from precursor micro- and nano-particles as-synthesized by solid-state reaction and under thermal treatment of post-annealing (1273-1473 K). The nanowires and nanorods were prepared by grinding, sonification and post-annealing (373 K). New luminescent core-shells of strontium aluminate doped with cerium (III) and encapsulated with TiO2 were created in order to obtain multifunctional materials, especially with photocatalytic activity, antimicrobial, antibacterial and water resistance. Such aluminates can be widely applied as hygiene surface, self-cleaning, in biomaterials, in the field of antibiotic drugs, in the formulation of vaccines, with emphasis on application in photoluminescent ceramics. The methods of obtaining such strontium aluminate nanostructures doped with cerium (III) and its encapsulation process developed in this thesis are applicable to various aluminates doped with other lanthanide ions (Ln is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Tm or Lu) with the formula M(1-x-y)N2O4:Cex, Lny, where M is Be, Mg, Ca, Sr or Ba. In the field of ophthalmology, medical equipment was developed for the diagnosis of biofunctionality of retinal photoreceptor cells, and for to support the ophthalmic telemedicine. This equipment was used for testing colour vision FM100HUE in white/black backgrounds for personalization of luminescent materials. The results showed a superior cellular biofunctionality to the photopic visibility of colours on a black background in treatment trials with diabetic retinopathy (n=38) than compared with references subjects (n=38). These results suggest the recommendation of persistent luminescent materials (λem=485-555 nm), including SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, specifically to the said people with diabetes, in emergency signalling and for a better life quality in low lighting environments. In the field of architecture, we proposed a new application of these SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ based-nanomaterials in ceramic tiles, in view to the superior persistent luminescence visibility and use by disable persons. New floors, photoluminescent-warning ceramic tiles were designed with multi-sensory (tactile, sonorous and visual contrast) and antimicrobial properties, for people with disabilities use them in the dark, with the priority of saving lives in emergencies. Such floors, with reliefs, can be combined to compose a unique multisensory photoluminescent signalization that enables a rapid evacuation through the use of mobility aids (e.g. canes, wheelchairs, walkers, crutches). The integrated solution of such innovations that enhances the persistent luminescence property of SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ accessible for people with disabilities, can help save lives in the dark in an emergency.

Cette étude transversale se concentre sur des propriété de luminescence persistante liées à l’aluminate de strontium dopé par cerium (III), dysprosium (III) et europium (II), SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, dans les systèmes de signalisation des zones de risques ou d'urgences pour les personnes handicapées. Dans le domaine de la science et ingénierie des matériaux, a développé de nouveaux matériaux luminescents à l'échelle nanométrique, SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ nanotubes, nanofils et nanotiges, pour les applications dans la réhabilitation et l'accessibilité des personnes handicapées. Les nanotubes ont été obtenus à partir de micro- et nano-particules précurseurs par synthèse à l'état solide suivie d’un de traitement thermique de post-recuisson (1273-1473 K). Les nanofils et nanotiges ont été préparés par broyage, traitement aux ultrasons et post-recuits (373 K). Les capsules luminescents originalles, basées sur les aluminates dopés au cérium (III) et encapsulés avec le TiO2, ont été créés afin d'obtenir des matériaux multifonctionnels avec une activité photocatalytique, y compris les antimicrobiens, antibactériens et des propriétés de résistance à l'eau. Ces aluminates peuvent être largement appliqués en tant que surface d'hygiène, d'auto-nettoyage, dans les biomatériaux, dans le domaine des antibiotiques, dans la formulation des vaccins, en mettant l'accent sur l'application de la céramique photoluminescent. Les méthodes pour obtenir ces nanostructures à l’aluminate de strontium dopé au cérium (III) et de son encapsulation, développé dans cette thèse, sont applicables aux différents aluminates dopées avec d'autres ions lanthanides (Ln est La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Tm ou Lu) avec la formule M(1-x-y)N2O4:Cex, Lny,, où M est Be, Mg, Ca, Sr ou Ba. Dans le domaine de l'ophtalmologie, un équipement médical été développé pour le diagnostic de biofunctionalité des cellules photoréceptrices de la rétine et le soutient de la télémédecine en ophtalmologie. Ce équipement été utilisé pour tester la vision des couleurs FM100HUE en blanc/noir fond pour le personnalisation de matériaux luminescents. Les résultats montrent une biofunctionalité cellulaire supérieure à la visibilité photopique de couleurs sur un fond noir chez les traitement groupe de personnes atteintes de rétinopathie diabétique (n=38) que par rapport aux sujets de référence (n=38). Ces résultats suggèrent la recommandation de matériaux photoluminescents (λem= 485-555 nm), y compris SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, à ces traitement personnes atteintes de diabète, dans la signalisation d'urgence et pour une meilleure qualité de vie dans l'éclairage faible. Dans le domaine de l'architecture, nous avons proposé une nouvelle application de ces nanomatériaux luminescents basée sur SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+, en carreaux céramiques, en vue de la bonne visibilité pour les personnes ayant déficiences visuelles. Nouveaux pavements, céramiques, photoluminescents, ont été conçus avec des propriétés multi-sensorielle et antimicrobiennes, dans des conditions d’obscurité pour les personnes handicapées, et dans le but de sauver des vies dans les situations graves d'urgence. Ces pavements, en reliefs, peuvent être combinés pour composer un signal unique photoluminescent multisensoriel qui permet une évacuation rapide grâce à l'utilisation des aides à la mobilité (par exemple, cannes, fauteuils roulants, des déambulateurs). La solution intégrée de ces innovations améliorent la propriété de luminescence persistante de SrAl2O4:Ce3+, Dy3+, Eu2+ nanomatériaux accessible aux personnes handicapées et peut aider à sauver des vies, dans l'obscurité, dans une situation d'urgence.