Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique. Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface. La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse. Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Magnetic and topographical modifications of amorphous Co–Fe thin films induced by high energy Ag7+ ion irradiation

We have investigated the effects of swift heavy ion irradiation on thermally evaporated 44 nm thick, amorphous Co77Fe23 thin films on silicon substrates using 100 MeV Ag7+ ions fluences of 1 1011 ions/ cm2, 1 1012 ions/cm2, 1 1013 ions/cm2, and 3 1013 ions/cm2. The structural modifications upon swift heavy irradiation were investigated using glancing angle X-ray diffraction. The surface morphological evolution of thin film with irradiation was studied using Atomic Force Microscopy. Power spectral density analysis was used to correlate the roughness variation with structural modifications investigated using X-ray diffraction. Magnetic measurements were carried out using vibrating sample magnetometry and the observed variation in coercivity of the irradiated films is explained on the basis of stress relaxation. Magnetic force microscopy images are subjected to analysis using the scanning probe image processor software. These results are in agreement with the results obtained using vibrating sample magnetometry. The magnetic and structural properties are correlated

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Step edges in thin films of lamellar-forming diblock copolymer

Self-consistent field theory (SCFT) is used to study the step edges that occur in thin films of lamellar-forming diblock copolymer, when the surfaces each have an affinity for one of the polymer components. We examine film morphologies consisting of a stack of ν continuous monolayers and one semi-infinite bilayer, the edge of which creates the step. The line tension of each step morphology is evaluated and phase diagrams are constructed showing the conditions under which the various morphologies are stable. The predicted behavior is then compared to experiment. Interestingly, our atomic force microscopy (AFM) images of terraced films reveal a distinct change in the character of the steps with increasing ν, which is qualitatively consistent with our SCFT phase diagrams. Direct quantitative comparisons are not possible because the SCFT is not yet able to probe the large polymer/air surface tensions characteristic of experiment.

Polymer brushes under shear: molecular dynamics simulations compared to experiments

Surfaces coated with polymer brushes in a good solvent are known to exhibit excellent tribological properties. We have performed coarse-grained equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics (MD) simulations to investigate dextran polymer brushes in an aqueous environment in molecular detail. In a first step, we determined simulation parameters and units by matching experimental results for a single dextran chain. Analyzing this model when applied to a multichain system, density profiles of end-tethered polymer brushes obtained from equilibrium MD simulations compare very well with expectations based on self-consistent field theory. Simulation results were further validated against and correlated with available experimental results. The simulated compression curves (normal force as a function of surface separation) compare successfully with results obtained with a surface forces apparatus. Shear stress (friction) obtained via nonequilibrium MD is contrasted with nanoscale friction studies employing colloidal-probe lateral force microscopy. We find good agreement in the hydrodynamic regime and explain the observed leveling-off of the friction forces in the boundary regime by means of an effective polymer–wall attraction.

Helium ion microscopy visualizes lipid nanodomains in mammalian cells

Cell membranes are composed of two-dimensional bilayers of amphipathic lipids, which allow a lateral movement of the respective membrane components. These components are arranged in an inhomogeneous manner as transient micro- and nanodomains, which are believed to be crucially involved in the regulation of signal transduction pathways in mammalian cells. Because of their small size (diameter 10-200 nm), membrane nanodomains cannot be directly imaged using conventional light microscopy. Here, we present direct visualization of cell membrane nanodomains by helium ion microscopy (HIM). We show that HIM is capable to image biological specimens without any conductive coating, and that HIM images clearly allow the identification of nanodomains in the ultrastructure of membranes with 1.5 nm resolution. The shape of these nanodomains is preserved by fixation of the surrounding unsaturated fatty acids while saturated fatty acids inside the nanodomains are selectively removed. Atomic force microscopy, fluorescence microscopy, 3D structured illumination microscopy and direct stochastic optical reconstruction microscopy provide additional evidence that the structures in the HIM images of cell membranes originate from membrane nanodomains. The nanodomains observed by HIM have an average diameter of 20 nm and are densely arranged with a minimal nearest neighbor distance of ~15 nm.

Nanostructured europium oxide thin films deposited by pulsed laser ablation of a metallic target in a He buffer atmosphere

Nanostrucured europium oxide and hydroxide films were obtained by pulsed Nd:YAG (532 nm) laser ablation of a europium metallic target, in the presence of a 1 mbar helium buffer atmosphere. Both the produced film and the ambient plasma were characterized. The plasma was monitored by an electrostatic probe, for plume expansion in vacuum or in the presence of the buffer atmosphere. The time evolution of the ion saturation current was obtained for several probe to substrate distances. The results show the splitting of the plume into two velocity groups, being the lower velocity profile associated with metal cluster formation within the plume. The films were obtained in the presence of helium atmosphere, for several target-to-substrate distances. They were analyzed by Rutherford backscattering spectrometry, x-ray diffraction, and atomic force microscopy, for as-deposited and 600 degrees C treated-in-air samples. The results show that the as-deposited samples are amorphous and have chemical composition compatible with europium hydroxide. The thermally treated samples show x-ray diffraction peaks of Eu(2)O(3), with chemical composition showing excess oxygen. Film nanostructuring was shown to be strongly correlated with cluster formation, as shown by velocity splitting in probe current versus time plots. (C) 2010 American Vacuum Society. [DOI: 10.1116/1.3457784]

Catalytic properties of thioredoxin immobilized on superparamagnetic nanoparticles

Thioredoxin (Trx1), a very important protein for regulating intracellular redox reactions, was immobilized on iron oxide superparamagnetic nanoparticles previously coated with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTS) via covalent coupling using the EDC (1-ethyl-3-{3-dimethylaminopropyl}carbodiimide) method. The system was extensively characterized by atomic force microscopy, vibrational and magnetic techniques. In addition, gold nanoparticles were also employed to probe the exposed groups in the immobilized enzyme based on the SERS (surface enhanced Raman scattering) effect, confirming the accessibility of the cysteines residues at the catalytic site. For the single coated superparamagnetic nanoparticle, by monitoring the enzyme activity with the Ellman reagent, DTNB=5,5`-dithio-bis(2-15 nitrobenzoic acid), an inhibitory effect was observed after the first catalytic cycle. The inhibiting effect disappeared after the application of an additional silicate coating before the AFTS treatment, reflecting a possible influence of unprotected iron-oxide sites in the redox kinetics. In contrast, the doubly coated system exhibited a normal in-vitro kinetic activity, allowing a good enzyme recovery and recyclability. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Mapping of adhesion forces on soil minerals in air and water by atomic force spectroscopy (AFS)

The adhesion force between an atomic force microscope (AFM) tip and sample surfaces, mica and quartz substrates, was measured in air and water. The force curves show that the adhesion has a strong dependence on both the surface roughness and the environmental conditions surrounding the sample. The variability of the adhesion force was examined in a series of measurements taken at the same point, as well as at different places on the sample surface. The adhesion maps obtained from the distribution of the measured forces indicated regions contaminated by either organic compounds or adsorbed water. Using simple mathematical expressions we could quantitatively predict the adhesion force behavior in both air and water. The experimental results are in good agreement with theoretical calculations, where the adhesion forces in air and water were mostly associated with capillary and van der Waals forces, respectively. A small long-range repulsive force is also observed in water due to the overlapping electrical double-layers formed on both the tip and sample surfaces.

Development of amorphous carbon protective coatings on poly(vinyl)chloride

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Treatment of PVC using an alternative low energy ion bombardment procedure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ferroelectric and piezoelectric properties of bismuth layered thin films grown on (100) Pt electrodes

The effect of film orientation on piezoelectric and ferroelectric properties of bismuth layered compounds deposited on platinum coated silicon substrates was investigated. Piezo-force microscopy was used to probe the local piezoelectric properties of Bi(4)Ti(3)O(12), CaBi(4)Ti(4)O(15) and SrBi(4)Ti(4)O(15) films. Our measurements on individual grains clearly reveal that the local piezoelectric properties are determined by the polarization state of the grain. A piezoelectric coefficient of 65 pm/V was attained after poling in a grain with a polar axis very close to the normal direction. The piezoelectric coefficient and the remanent polarization were larger for a-b axes oriented than for c-axis-oriented films. (c) 2007 Elsevier B.V All rights reserved.

Phase-Locked loops lock-in range in Frequency Modulated-Atomic Force Microscope nonlinear control system

Since the mid 1980s the Atomic Force Microscope is one the most powerful tools to perform surface investigation, and since 1995 Non-Contact AFM achieved true atomic resolution. The Frequency-Modulated Atomic Force Microscope (FM-AFM) operates in the dynamic mode, which means that the control system of the FM-AFM must force the micro-cantilever to oscillate with constant amplitude and frequency. However, tip-sample interaction forces cause modulations in the microcantilever motion. A Phase-Locked loop (PLL) is used to demodulate the tip-sample interaction forces from the microcantilever motion. The demodulated signal is used as the feedback signal to the control system, and to generate both topographic and dissipation images. As a consequence, a proper design of the PLL is vital to the FM-AFM performance. In this work, using bifurcation analysis, the lock-in range of the PLL is determined as a function of the frequency shift (Q) of the microcantilever and of the other design parameters, providing a technique to properly design the PLL in the FM-AFM system. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Phase-Locked Loop design applied to frequency-modulated atomic force microscope

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)