Magneto-optic kerr microscopy for the study of magnetic nanostructures

La microscopia Kerr magneto-ottica è una tecnica di caratterizzazione magnetica che permette di ottenere informazioni sulla magnetizzazione superficiale di un campione ferromagnetico. La sensibilità locale e superficiale di questa tecnica, che è determinata sia dalla capacità di un microscopio ottico di ottenere un'immagine della superficie del campione che dalla profondità di penetrazione della luce visibile nei metalli, la rende adatta allo studio delle proprietà fisiche di nanostrutture magnetiche. Attraverso l'uso del microscopio Kerr di proprietà del Gruppo di Nanomagnetismo parte del Centro Cooperativo di Ricerca nanoGUNE Consolider (San Sebastian - Spagna), è stato possibile indagare l'effetto dato dall'anisotropia di scambio in nanostrutture magnetiche, per capire il comportamento di tale effetto in geometrie confinate al variare della temperatura. Questo studio ha permesso di individuare i limiti dello strumento e di conseguenza di estenderne le funzionalità. I principali interventi eseguiti hanno riguardato la stabilizzazione meccanica del sistema e lo sviluppo di un nuovo programma di acquisizione dati. Inoltre, la capacità di ottenere cicli di isteresi da singole nanostrutture magnetiche è stata sfruttata nello sviluppo di un nuovo tipo di dispositivo per la manipolazione di nanoparticelle magnetiche in soluzione, il cui principio di funzionamento si basa sulla mobilità delle pareti di dominio all'interno di anelli ferromagnetici con dimensione micro o nanometrica e sull'accoppiamento magnetostatico tra tali pareti di dominio e nanoparticelle superparamagnetiche trasportate in soluzione.

Functional dna nanostructures for in vitro biosensing in live cells

DNA is a fascinating biomolecule that is well known for its genetic role in living systems. The emerging area of DNA nanotechnology provides an alternative view that exploits unparallel self-assembly ability of DNA molecules for material use of DNA. Although many reports exist on the results of DNA self-assembling systems, still few of them focus on the in vitro study about the function of such DNA nanostructures in live cells. Due to this, there are still a limited research about the in vitro functionality of such designs. To address an aspect of this issue, we have designed, synthesized and characterized two multifunctional fluorescencent nanobiosensors by DNA self-assembling. Each structure was designed and implemented to be introduced in live cells in order to give information on their functioning in real-time. Computational tools were used in order to design a graphic model of two new DNA motifs and also to obtain the specific sequences to all the ssDNA molecules. By thermal self-assembly techniques we have successfully synthesized the structure and corroborate their formation by the PAGE technique. In addition, we have established the conditions to characterize their structural conformation change when they perform their sensor response. The sensing behavior was also accomplished by fluorescence spectroscopy techniques; FRET evaluation and fluorescence microscopy imaging. Providing the evidence about their adequate sensing performance outside and inside the cells detected in real-time. In a preliminary evaluation we have tried to show the in vitro functionality of our structures in different cancer cell lines with the ability to perform local sensing responses. Our findings suggest that DNA sensor nanostructures could serve as a platform to exploit further therapeutic achievements in live cells.

Functionals for TDDFT description of electron transport in nanostructures

La Teoria di Densità Funzionale (DFT) e la sua versione dipendente dal tempo (TDDFT) sono strumenti largamente usati per simulare e calcolare le proprietà statiche e dinamiche di sistemi con elettroni interagenti. La precisione del metodo si basa su una serie di approssimazioni degli effetti di exchange correlation fra gli elettroni, descritti da un funzionale della sola densità di carica. Nella presente tesi viene testata l'affidabilità del funzionale Mixed Localization Potential (MLP), una media pesata fra Single Orbital Approximation (SOA) e un potenziale di riferimento, ad esempio Local Density Approximation (LDA). I risultati mostrano capacità simulative superiori a LDA per i sistemi statici (curando anche un limite di LDA noto in letteratura come fractional dissociation) e dei progressi per sistemi dinamici quando si sviluppano correnti di carica. Il livello di localizzazione del sistema, inteso come la capacità di un elettrone di tenere lontani da sé altri elettroni, è descritto dalla funzione Electron Localization Function (ELF). Viene studiato il suo ruolo come guida nella costruzione e ottimizzazione del funzionale MLP.

Chemical Loop Reforming dell'etanolo: studio della reattività di ferriti modificate

Modified ferrites with a generic formula of MFe2O4 (where M=Co, Cu, Mn and their combination: Cu/Co, Cu/Mn and Co/Mn) were studied as potentially attractive ionic oxygen and electron carrier materials for the production of “clean H2” via the Chemical Loop Reforming (CLR) of bio-ethanol. The conventional CLR process consists of 2 steps: 1st - the reduction step with ethanol; 2nd - the re-oxidation step with water. The synthesized materials were tested in a laboratory plant in terms of both redox properties and catalytic activity to generate hydrogen during the re-oxidation step with water steam over previously pre-reduced samples. The obtained results showed that CuFe2O4, Cu0.5Co0.5Fe2O4, Cu0.5Mn0.5Fe2O4 and CoFe2O4 within 20 min of ethanol reduction reached almost a complete reduction, and, as a consequence, the higher yields to H2 produced during the re-oxidation step with steam. On the other hand, incorporation of Mn-cations greatly affects the redox properties of a resulted spinel (MnFe2O4 and Co0.5Mn0.5Fe2O4) leading to its lower reducibility, caused by the formation of a hardly reducible layer of MnxFeyO oxide. Moreover, the presence of Mn-cations effectively reduces the amount of coke formed during the anaerobic reduction step with ethanol and hence avoids a fast deactivation of the material. Modification of the conventional CLR process with an addition of the 3rd regeneration step (carried out with air) was done in order to increase the stability of the looping material and to overcome the deactivation problems, such as: a coke deposition/accumulation and an incomplete re-oxidation of M0 during the 2nd step.

Study of nanostructured targets for plasma production via laser ablation

Metal nanowires (NWs) - nanostructures 20-100 nm in diameter and up to tens of micrometers long - behave as waveguides when irradiated with light with wavelength much greater than their diameter. This is due to collective excitations of free electrons (plasmons) in the metal which couple to light and travel on the surface of the nanowire. This effect can be used to efficiently absorb laser pulses to produce dense and hot plasma on special nanostructured targets with metal nanowires vertically aligned on the surface. In this thesis work, nanostructured targets with different parameters (length, diameter, metal and fabrication process) have been irradiated with infrared laser light. X-ray flux emitted by the cooling plasma is measured during irradiation, and the depth of craters formed on the target is measured later. This data is used to choose which target parameters are best for plasma production. Different targets are compared with each other and against a control, non-nanostructured (bulk) target. As will be shown, highly significant (> 5 sigma) differences are found between targets with different nanostructures, and between nanostructured and bulk target. This differences are very difficult to explain whithout accounting for the nanostructures in the targets. Therefore, data collected and analized in this thesis work supports the hypotesys that nanostructured targets perform better than bulk targets for laser plasma production purposes, and provides useful indications for optimization of NWS' parameters.

Cadmium Telluride Magic-Sized Clusters and Superstructures

The aim of the present work is to gain new insights into the formation mechanism of CdTe magic-sized clusters (MSCs) at low temperatures, as well as on their evolution towards 1D and 2D nanostructures and assemblies thereof, under mild reaction conditions. The reaction system included toluene as solvent, octylamine as primary alkylamine, trioctylphosphine-Te as chalcogenide precursor and Cd(oleate)2 as metal precursor. UV-Vis absorption spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM) were used to analyze samples containing concentrations of octylamine of 0.2, 0.8 and 2 M: well-defined, sharp absorption peaks were observed, with peaks maxima at 449, 417 and 373 nm respectively, and 1D structures with a string-like appearance were displayed in the TEM images. Investigating peaks growth, step-wise peaks shift to lower energies and reverse, step-wise peak shift to higher energies allowed to propose a model to describe the system, based on interconnected [CdTe]x cluster units originating an amine-capped, 1-dimensional, polymer-like structure, in which different degrees of electronic coupling between the clusters are held responsible for the different absorption transitions. The many parameters involved in the synthesis procedure were then investigated, starting from the Cd:Te ratio, the role of the amine, the use of different phosphine-Te and Cd precursors. The results allowed to gain important information of the reaction mechanism, as well as on the different behavior of the species featuring the sharp absorption peaks in each case. Using Cd(acetate)2 as metal precursor, 2D structures were found to evolve from the MSCs solutions over time, and their tendency to self-assemble was then analyzed employing two amines of different alkyl chain length, octylamine (C-8) and oleylamine (C-18). Their co-presence led to the formation of free-floating triangular nanosheets, which tend to readily aggregate if only octylamine is present in solution.

Synthesis and characterisation of electrospun gold on ceria catalysts

Cerium oxide in catalysis can be used both as support and as a catalyst itself. Ceria catalyses many oxidations reactions, its excellent catalytic properties are due to its store oxygen storage capacity (OSC) and the reticular defects present on its surface. Different morphologies expose different reticular planes, and different reticular planes can expose different amounts of defects. The preparation method of cerium oxide can influence the surface area, morphology, and the number of defects in the sample. This work is focused on different preparation methods for gold nanoparticles supported on 1D nanostructures of cerium oxide prepared via electrospinning, their XRD, DRUV-Vis and Raman characterizations, and their catalytic performance on the oxidation reaction of HMF to FDCA.

Transizioni di fase: da Ising alla ferroelettricità

La ferroelettricità è la proprietà di alcuni materiali solidi di presentare una polarizzazione elettrica in assenza di campo elettrico. Tutti i materiali ferroelettrici sin'ora studiati esibiscono anche proprietà piezoelettriche, ossia si deformano in maniera elastica quando sottoposti ad un campo elettrico e, viceversa, si polarizzano se soggetti a deformazioni meccaniche. Questa sensibilità a stimoli elettrici e meccanici rende questi materiali particolarmente interessanti da un punto di vista pratico: applicazioni importanti si trovano nella nanotecnologia (e.g. memory devices), nella sensoristica e nell'energy harvesting. Lo scopo dell'elaborato è fornire un'introduzione allo studio delle transizioni ferroelettriche. Inizialmente il fenomeno delle transizioni di fase viene affrontato utilizzando come riferimento il caso standard dei materiali ferromagnetici: a tal riguardo viene presentato il modello di Ising, che rappresenta il paradigma per la descrizione di fenomeni collettivi in numerosi ambiti. In seguito viene presentata la teoria fenomenologica di Landau, dove si interpreta il fenomeno sulla base delle simmetrie del sistema, utilizzando un approccio di campo medio. Successivamente viene introdotto il tema centrale dell'elaborato, ossia le transizioni ferroelettriche, analizzando similitudini e differenze dal caso ferromagnetico; in particolare si presenta un' applicazione della teoria fenomenologica di Landau-Devonshire allo studio della transizione ferroelettrica del BaTiO3, un cristallo del gruppo delle perovskiti. L'ultima parte dell'elaborato ha lo scopo di introdurre un approccio più moderno allo stesso fenomeno, che utilizza la teoria quantistica del funzionale densità (DFT): utilizzando il pacchetto software VASP viene esposto un semplice calcolo a primi principi dell'energia del sistema in funzione degli spostamenti atomici, mettendone in luce la centralità nella transizione in esame.

Design, preparazione e caratterizzazione di nanostrutture di DNA come candidati farmaci per terapia a RNA

Le terapie a RNA stanno attraendo interesse crescente vista la loro capacità di colpire target che venivano dapprima considerati undruggable. Uno degli ambiti di applicazione suggeriti della terapia a RNA è la neuroinfiammazione, una condizione patologica che accompagna e agisce da concausa nelle malattie neurodegenerative. In particolare, si è verificato che nei processi neuroinfiammatori, alcuni microRNA risultano sovra-regolati e tra questi miR-34a. Si è quindi proposto di sviluppare metodi atti a ridurre il contenuto cellulare di miR-34a soprattutto nelle cellule la cui attivazione causa maggiormente la neuroinfiammazione: la microglia. L’obiettivo del lavoro di tesi è stato di sviluppare una nanostruttura di DNA in grado di veicolare una sequenza catalitica (DNAzima) che porti al taglio del miR-34a, una volta internalizzata nelle cellule. Durante il lavoro di tesi si sono sviluppati 2 diversi dendrimeri di DNA pensati per ridurre il contenuto di miR-34a. I sistemi sono stati progettati con l’ausilio di strumenti bioinformatici e poi realizzati in laboratorio e caratterizzati con tecniche biochimiche. Il sistema più promettente è stato caratterizzato per quanto riguarda la sua attività enzimatica di taglio di miR-34a e l’efficienza di internalizzazione da parte di cellule vive di microglia. I risultati ottenuti confermano la solidità del metodo utilizzato per il design del sistema progettato. Le prove condotte sul dendrimero finale, contenente la sequenza attiva, dimostrano il mantenimento dell’attività catalitica del DNAzima e l’internalizzazione della nanostruttura nelle cellule bersaglio.