Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

Anion-templated assembly of pseudorotaxanes: importance of anion template, strength of ion-pair thread association, and macrocycle ring size

A wide range of pseuclorotaxane assemblies containing positively charged pyridinium, pyridinium nicotinamide, imidazolium, benzimidazolium and guanidinium threading components, and macrocyclic isophthalamide polyether ligands have been prepared using a general anion templation procedure. In noncompetitive solvent media, coupling halide anion recognition by a macrocyclic ligand with ion-pairing between the halide anion and a strongly associated cation provides the driving force for interpenetration. Extensive solution H-1 NMR binding studies, thermodynamic investigations, and single-crystal X-ray structure determinations reveal that the nature of the halide anion template, strength of the ion-pairing between the anion template and the cationic threading component, and to a lesser extent favorable second sphere pi-pi aromatic stacking interactions between the positively charged threading component and macrocyclic ligand, together with macrocyclic ring size, affect the efficacy of pseudorotaxane formation.

Raman spectroscopic study of the mixed anion mineral Yecoraite Bi5Fe3O9(Te4+O3)(Te6+O4)2•9H2O

Tellurates are rare minerals as the tellurate anion is readily reduced to the tellurite ion. Often minerals with both tellurate and tellurite anions in the mineral are found. An example of such a mineral containing tellurate and tellurite is yecoraite. Raman spectroscopy has been used to study this mineral, the exact structure of which is unknown. Two Raman bands at 796 and 808 cm-1 are assigned to the ν1 (TeO4)2- symmetric and ν3 (TeO3)2- antisymmetric stretching modes and Raman bands at 699 cm-1 are attributed to the the ν3 (TeO4)2- antisymmetric stretching mode and the band at 690 cm-1 to the ν1 (TeO3)2- symmetric stretching mode. The intense band at 465 cm-1 with a shoulder at 470 cm-1 is assigned the (TeO4)2- and (TeO3)2- bending modes. Prominent Raman bands are observed at 2878, 2936, 3180 and 3400 cm-1. The band at 3936 cm-1 appears quite distinct and the observation of multiple bands indicates the water molecules in the yecoraite structure are not equivalent. The values for the OH stretching vibrations listed provide hydrogen bond distances of 2.625 Å (2878 cm-1), 2.636 Å (2936 cm-1), 2.697 Å (3180 cm-1) and 2.798 Å (3400 cm-1). This range of hydrogen bonding contributes to the stability of the mineral. A comparison of the Raman spectra of yecoraite with that of tellurate containing minerals kuranakhite, tlapallite and xocomecatlite is made.

Raman spectroscopic study of the mixed anion sulphate-arsenate mineral parnauite Cu9[(OH)10|SO4|(AsO4)2].7H2O

The mixed anion mineral parnauite Cu9[(OH)10|SO4|(AsO4)2].7H2O has been studied by Raman spectroscopy. Characteristic bands associated with arsenate, sulphate, hydroxyl units are identified. Broad bands are observed and are resolved into component bands. Two intense bands at 859 and 830 cm-1 are assigned to the 1 (AsO4)3- symmetric stretching and 3 (AsO4)3- antisymmetric stretching modes. The comparatively sharp band at 976 cm-1 is assigned to the ν1 (SO4)2- symmetric stretching mode and a broad spectral profile centered upon 1097 cm-1 is attributed to the ν3 (SO4)2- antisymmetric stretching mode. A comparison of the Raman spectra is made with other arsenate bearing minerals such as carminite, clinotyrolite, kankite, tilasite and pharmacosiderite.

Raman spectroscopic study of the multi-anion mineral dixenite CuMn2+14Fe3+(AsO3)5(SiO4)2(AsO4)(OH)6

The mixed anion mineral dixenite has been studied by Raman spectroscopy, complimented with infrared spectroscopy. The Raman spectrum of dixenite shows bands at 839 and 813 cm-1 assigned to the (AsO3)3- symmetric and antisymmetric stretching modes. The most intense Raman band of dixenite is the band at 526 cm-1 and is assigned to the ν2 AsO33- bending mode. DFT calculations enabled the position of AsO22- symmetric stretching mode at 839 cm-1, the antisymmetric stretching mode at 813 cm-1, and the deformation mode at 449 cm-1 to be calculated. Raman bands at 1026 and 1057 cm-1 are assigned to the SiO42- symmetric stretching vibrations and at 1349 and 1386 cm-1 to the SiO42- antisymmetric stretching vibrations. Both Raman and infrared spectra indicate the presence of water in the structure of dixenite. This brings into question the commonly accepted formula of dixenite as CuMn2+14Fe3+(AsO3)5(SiO4)2(AsO4)(OH)6. The formula may be better written as CuMn2+14Fe3+(AsO3)5(SiO4)2(AsO4)(OH)6•xH2O.

Avoiding full extension field arithmetic in pairing computations

The most costly operations encountered in pairing computations are those that take place in the full extension field Fpk . At high levels of security, the complexity of operations in Fpk dominates the complexity of the operations that occur in the lower degree subfields. Consequently, full extension field operations have the greatest effect on the runtime of Miller’s algorithm. Many recent optimizations in the literature have focussed on improving the overall operation count by presenting new explicit formulas that reduce the number of subfield operations encountered throughout an iteration of Miller’s algorithm. Unfortunately, almost all of these improvements tend to suffer for larger embedding degrees where the expensive extension field operations far outweigh the operations in the smaller subfields. In this paper, we propose a new way of carrying out Miller’s algorithm that involves new explicit formulas which reduce the number of full extension field operations that occur in an iteration of the Miller loop, resulting in significant speed ups in most practical situations of between 5 and 30 percent.

Faster pairing computations on curves with high-degree twists

Research on efficient pairing implementation has focussed on reducing the loop length and on using high-degree twists. Existence of twists of degree larger than 2 is a very restrictive criterion but luckily constructions for pairing-friendly elliptic curves with such twists exist. In fact, Freeman, Scott and Teske showed in their overview paper that often the best known methods of constructing pairing-friendly elliptic curves over fields of large prime characteristic produce curves that admit twists of degree 3, 4 or 6. A few papers have presented explicit formulas for the doubling and the addition step in Miller’s algorithm, but the optimizations were all done for the Tate pairing with degree-2 twists, so the main usage of the high- degree twists remained incompatible with more efficient formulas. In this paper we present efficient formulas for curves with twists of degree 2, 3, 4 or 6. These formulas are significantly faster than their predecessors. We show how these faster formulas can be applied to Tate and ate pairing variants, thereby speeding up all practical suggestions for efficient pairing implementations over fields of large characteristic.

Delaying mismatched field multiplications in pairing computations

Miller’s algorithm for computing pairings involves perform- ing multiplications between elements that belong to different finite fields. Namely, elements in the full extension field Fpk are multiplied by elements contained in proper subfields F pk/d , and by elements in the base field Fp . We show that significant speedups in pairing computations can be achieved by delaying these “mismatched” multiplications for an optimal number of iterations. Importantly, we show that our technique can be easily integrated into traditional pairing algorithms; implementers can exploit the computational savings herein by applying only minor changes to existing pairing code.

A vibrational spectroscopic study of the mixed anion mineral sanjuanite Al2(PO4)(SO4)(OH)•9H2O

The mineral sanjuanite Al2(PO4)(SO4)(OH)•9H2O has been characterised by Raman spectroscopy complimented by infrared spectroscopy. The mineral is characterised by an intense Raman band at 984 cm-1, assigned to the (PO4)3- ν1 symmetric stretching mode. A shoulder band at 1037 cm-1 is attributed to the (SO4)2- ν1 symmetric stretching mode. Two Raman bands observed at 1102 and 1148 cm-1 are assigned to (PO4)3- and (SO4)2- ν3 antisymmetric stretching modes. Multiple bands provide evidence for the reduction in symmetry of both anions. This concept is supported by the multiple sulphate and phosphate bending modes. Raman spectroscopy shows that there are more than one non-equivalent water molecules in the sanjuanite structure. There is evidence that structural disorder exists, shown by the complex set of overlapping bands in the Raman and infrared spectra. At least two types of water are identified with different hydrogen bond strengths. The involvement of water in the sanjuanite structure is essential for the mineral stability.

Raman microscopy study of tyrolite : a multi-anion arsenate mineral

The Raman spectrum of tyrolite, CaCu5(AsO4)2(CO3)(OH) 4.6H2O, from Brixlegg, Tyrol, Austria, is reported. Comparison with copper hydroxy-arsenate and basic carbonates was used to achieve assignments of the observed bands. The AsO43- group is characterized by two υ4 modes around 433 and 480 cm-1 plus a broad band around 840 cm-1 as the υ overlapping with the υ. The υ3 mode is observed as a single band around 355 cm -1. The CO32- υ1 mode is observed around 1035 and 1088 cm-1, although this assignment is difficult because of the in-plane OH bending vibrations at similar frequencies. Two υ4 modes are assigned to the 717 and 755 cm-1 bands. The υ3 mode is present as three bands at 1431, 1463, and 1498 cm-1. A large split caused by bridging carbonates may explain the band at 1370 cm -1. The H2O bending region shows two bands at 1635 and 1667 cm-1 together with stretching modes around 3204 and 3303 cm-1, the first associated with adsorbed H2O, while the second indicates more strongly bonded H2O. Three bands around 3534, 3438, and 3379 cm -1 are assigned to OH stretching modes of the OH groups in the crystal structure. The 202, 262, 301, 524, and 534 cm-1 bands are assigned to Cu-OH bending and stretching modes, whereas the bands around 179, 202, and 217 cm-1 are ascribed to O-(Ca, Cu)-O(H) with the O(H) at much greater distance from the cation. The bands around 503, 570, and 598 cm-1 are ascribed to the Cu-O stretching modes.

Exploiting the 1,2,3-triazolium motif in anion-templated formation of a bromide-selective rotaxane host assembly

Stimulated by the efficacy of copper (I) catalysed Huisgen-type 1,3-dipolar cycloaddition of terminal alkynes and organic azides to generate 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole derivatives, the importance of ‘click’ chemistry in the synthesis of organic and biological molecular systems is ever increasing.[1] The mild reaction conditions have also led to this reaction gaining favour in the construction of interlocked molecular architectures.[2-4] In the majority of cases however, the triazole group simply serves as a covalent linkage with no function in the resulting organic molecular framework. More recently a renewed interest has been shown in the transition metal coordination chemistry of triazole ligands.[3, 5, 6] In addition novel aryl macrocyclic and acyclic triazole based oligomers have been shown to recognise halide anions via cooperative triazole C5-H….anion hydrogen bonds.[7] In light of this it is surprising the potential anion binding affinity of the positively charged triazolium motif has not, with one notable exception,[8] been investigated. With the objective of manipulating the unique topological cavities of mechanically bonded molecules for anion recognition purposes, we have developed general methods of using anions to template the formation of interpenetrated and interlocked structures.[9-13] Herein we report the first examples of exploiting the 1,2,3-triazolium group in the anion templated formation of pseudorotaxane and rotaxane assemblies. In an unprecedented discovery the bromide anion is shown to be a superior templating reagent to chloride in the synthesis of a novel triazolium axle containing [2]rotaxane. Furthermore the resulting rotaxane interlocked host system exhibits the rare selectivity preference for bromide over chloride...