Nanoscale electrical conductivity of the purple membrane monolayer

Nanoscale electron transport through the purple membrane monolayer, a two-dimensional crystal lattice of the transmembrane protein bacteriorhodopsin, is studied by conductive atomic force microscopy. We demonstrate that the purple membrane exhibits nonresonant tunneling transport, with two characteristic tunneling regimes depending on the applied voltage (direct and Fowler-Nordheim). Our results show that the purple membrane can carry significant current density at the nanometer scale, several orders of magnitude larger than previously estimated by macroscale measurements.

Nanometer-scale oxidation of Si(100) surfaces by tapping mode atomic force microscopy

The nanometer¿scale oxidation of Si(100) surfaces in air is performed with an atomic force microscope working in tapping mode. Applying a positive voltage to the sample with respect to the tip, two kinds of modifications are induced on the sample: grown silicon oxide mounds less than 5 nm high and mounds higher than 10 nm (which are assumed to be gold depositions). The threshold voltage necessary to produce the modification is studied as a function of the average tip¿to¿sample distance.

Learning form Nature to improve the heat generation of iron-oxide nanoparticles for magnetic hyperthermia applications.

The performance of magnetic nanoparticles is intimately entwined with their structure, mean size and magnetic anisotropy. Besides, ensembles offer a unique way of engineering the magnetic response by modifying the strength of the dipolar interactions between particles. Here we report on an experimental and theoretical analysis of magnetic hyperthermia, a rapidly developing technique in medical research and oncology. Experimentally, we demonstrate that single-domain cubic iron oxide particles resembling bacterial magnetosomes have superior magnetic heating efficiency compared to spherical particles of similar sizes. Monte Carlo simulations at the atomic level corroborate the larger anisotropy of the cubic particles in comparison with the spherical ones, thus evidencing the beneficial role of surface anisotropy in the improved heating power. Moreover we establish a quantitative link between the particle assembling, the interactions and the heating properties. This knowledge opens new perspectives for improved hyperthermia, an alternative to conventional cancer therapies.

Stiffness tomography by atomic force microscopy.

The atomic force microscope is a convenient tool to probe living samples at the nanometric scale. Among its numerous capabilities, the instrument can be operated as a nano-indenter to gather information about the mechanical properties of the sample. In this operating mode, the deformation of the cantilever is displayed as a function of the indentation depth of the tip into the sample. Fitting this curve with different theoretical models permits us to estimate the Young's modulus of the sample at the indentation spot. We describe what to our knowledge is a new technique to process these curves to distinguish structures of different stiffness buried into the bulk of the sample. The working principle of this new imaging technique has been verified by finite element models and successfully applied to living cells.

Assessing dystrophies and other muscle diseases at the nanometer scale by atomic force microscopy.

AIM: Atomic force microscopy nanoindentation of myofibers was used to assess and quantitatively diagnose muscular dystrophies from human patients. MATERIALS & METHODS: Myofibers were probed from fresh or frozen muscle biopsies from human dystrophic patients and healthy volunteers, as well as mice models, and Young's modulus stiffness values were determined. RESULTS: Fibers displaying abnormally low mechanical stability were detected in biopsies from patients affected by 11 distinct muscle diseases, and Young's modulus values were commensurate to the severity of the disease. Abnormal myofiber resistance was also observed from consulting patients whose muscle condition could not be detected or unambiguously diagnosed otherwise. DISCUSSION & CONCLUSION: This study provides a proof-of-concept that atomic force microscopy yields a quantitative read-out of human muscle function from clinical biopsies, and that it may thereby complement current muscular dystrophy diagnosis.

Design and production of protein nanostructures for biomolecular detection

Particulate nanostructures are increasingly used for analytical purposes. Such particles are often generated by chemical synthesis from non-renewable raw materials. Generation of uniform nanoscale particles is challenging and particle surfaces must be modified to make the particles biocompatible and water-soluble. Usually nanoparticles are functionalized with binding molecules (e.g., antibodies or their fragments) and a label substance (if needed). Overall, producing nanoparticles for use in bioaffinity assays is a multistep process requiring several manufacturing and purification steps. This study describes a biological method of generating functionalized protein-based nanoparticles with specific binding activity on the particle surface and label activity inside the particles. Traditional chemical bioconjugation of the particle and specific binding molecules is replaced with genetic fusion of the binding molecule gene and particle backbone gene. The entity of the particle shell and binding moieties are synthesized from generic raw materials by bacteria, and fermentation is combined with a simple purification method based on inclusion bodies. The label activity is introduced during the purification. The process results in particles that are ready-to-use as reagents in bioaffinity. Apoferritin was used as particle body and the system was demonstrated using three different binding moieties: a small protein, a peptide and a single chain Fv antibody fragment that represents a complex protein including disulfide bridge.If needed, Eu3+ was used as label substance. The results showed that production system resulted in pure protein preparations, and the particles were of homogeneous size when visualized with transmission electron microscopy. Passively introduced label was stably associated with the particles, and binding molecules genetically fused to the particle specifically bound target molecules. Functionality of the particles in bioaffinity assays were successfully demonstrated with two types of assays; as labels and in particle-enhanced agglutination assay. This biological production procedure features many advantages that make the process especially suited for applications that have frequent and recurring requirements for homogeneous functional particles. The production process of ready, functional and watersoluble particles follows principles of “green chemistry”, is upscalable, fast and cost-effective.

Template assisted fabrication of I-D nanostructures of Nickel,Cobalt, Iron Oxide and Carbon nanotubes and a study on their structural, magnetic and nonlinear optical properties for applications

Department of Physics, Cochin University of Science & Technology

GABA and 5-HT chitosan nanoparticles enhanced liver cell proliferation and neuronal survival in partially hepatectomised rats: GABAB and 5-HT2A receptors functional

Nanoparticulate drug delivery systems provide wide opportunities for solving problems associated with drug stability or disease states and create great expectations in the area of drug delivery (Bosselmann & Williams, 2012). Nanotechnology, in a simple way, explains the technology that deals with one billionth of a meter scale (Ochekpe, et al., 2009). Fewer side effects, poor bioavailability, absorption at intestine, solubility, specific delivery to site of action with good pharmacological efficiency, slow release, degradation of drug and effective therapeutic outcome, are the major challenges faced by most of the drug delivery systems. To a great extent, biopolymer coated drug delivery systems coupled with nanotechnology alleviate the major drawbacks of the common delivery methods. Chitosan, deacetylated chitin, is a copolymer of β-(1, 4) linked glucosamine (deacetylated unit) and N- acetyl glucosamine (acetylated unit) (Radhakumary et al., 2005). Chitosan is biodegradable, non-toxic and bio compatible. Owing to the removal of acetyl moieties that are present in the amine functional groups of chitin, chitosan is readily soluble in aqueous acidic solution. The solubilisation occurs through the protonation of amino groups on the C-2 position of D-glucosamine residues whereby polysaccharide is converted into polycation in acidic media. Chitosan interacts with many active compounds due to the presence of amine group in it. The presence of this active amine group in chitosan was exploited for the interaction with the active molecules in the present study. Nanoparticles of chitosan coupled drugs are utilized for drug delivery in eye, brain, liver, cancer tissues, treatment of spinal cord injury and infections (Sharma et al., 2007; Li, et a., 2009; Paolicelli et al., 2009; Cho et al., 2010). To deliver drugs directly to the intended site of action and to improve pharmacological efficiency by minimizing undesired side effects elsewhere in the body and decrease the long-term use of many drugs, polymeric drug delivery systems can be used (Thatte et al., 2005).

Synthesis and characterization of 3d-transition metals doped ZnO thin films and nanostructures for possible spintronic applications

The objective of the present study is the formation of single phase Zn1−xTMxO thin films by PLD and increase the solubility limit of TM dopants. The TM doped ZnO nanostructures were also grown by hydrothermal method. The structural and morphological variation of ZnO:TM thin films and nanostructures with TM doping concentration is also investigated. The origin and enhancement of ferromagnetism in single phase Zn1−xTMxO thin films and nanostructures using spectroscopic techniques were also studied. The dependence of ablation parameters on the structural and optical properties of ZnO thin films were studied

Radiopacity and Chemical resistance of Elastomer-Barium sulphate nanocomposites with special reference to Natural Rubber, Ethylene Propylene Rubber and Isobutylene Isoprene Rubber

The Human race of our century is in gluttonous search for novel engineering products which led to a skyrocketed progress in research and fabrication of filled polymers. Recently, a big window has been opened up for speciality polymers especially elastomers with promising properties. Among the many reasons why rubbers are widely used in the process industries, three are considered as important. Firstly, rubbers operate in a variety of environments and possess usable ranges of deformity and durability and can be exploited through suitable and more or less conventional equipment design principles. Secondly, rubber is an eminently suitable construction material for protection against corrosion in the chemical plant and equipment against various corrosive chemicals as, acids and alkalies and if property tailored, can shield ionising radiations as X-rays and gamma rays in medical industry, with minimum maintenance lower down time, negligible corrosion and a preferred choice for aggressive corroding and ionising environment. Thirdly, rubber can readily and hastily, and at a relatively lower cost, be converted into serviceable products, having intricate shapes and dimensions. In a century’s gap, large employment of flexible polymer materials in the different segments of industry has stimulated the development of new materials with special properties, which paved its way to the synthesis of various nanoscale materials. At nano scale, one makes an entry into a world where multidisciplinary sciences meet and utilises the previously unapproached infinitesimal length scale, having dimension which measure upto one billionth of a meter, to create novel properties. The nano fillers augment the elastomers properties in an astonishing fashion due to their multifunctional nature and unprecedented properties have been exhibited by these polymer-nanocomposites just to beat the shortcomings of traditional micro composites. The current research aims to investigate the possibility of using synthesised nano barium sulphate for fabricating elastomer-based nanocomposites and thereby imparting several properties to the rubber. In this thesis, nano materials, their synthesis, structure, properties and applications are studied. The properties of barium sulphate like chemical resistance and radiopacity have been utilized in the present study and is imparted to the elastomers by preparing composites

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.

Fabrication of diamond nanostructures and investigation of the imbedded NV centers

Diamant ist ein Material mit vielen außerordentlichen Eigenschaften, die ihn zu einem äußerst vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in Wissen-schaft und Technik machen. In den letzten Jahren wurde Diamant häufig als einzigartige Plattform für neue Anwendungen beispielsweise in der Quanteninformationstechnologie (QIT) oder in der Magnetometrie im Nanometermaßstab eingesetzt, wobei einer der wichtigsten lumineszierenden Gitterdefekte im Diamantgitter eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um die sogenannten Stickstoff/Fehlenstellen-Farbzentren (NV-Zentren), die im sichtbaren Bereich mit einer absoluten Photostabilität bei Raumtemperatur emittieren. In dieser Arbeit wurden NV-Zentren in Diamantnanokristalliten und –nanosäulen untersucht, die während des Wachstumsprozesses erzeugt wurden. Einzelne Diamantnanokristallite und nanokristalline Diamantschichten (NCD), aus denen Nanosäulen geätzt wurden, wurden mithilfe der Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) abgeschieden. Zu Vergleichszwecken wurden auch ultrananokristalline Diamantschichten (UNCD) mittels Mikrowellen-CVD (MWCVD) hergestellt. Die Filme wurden sorgfältig in Bezug auf ihre Morphologie, kristallinen Eigenschaften und Zusammensetzung untersucht. Um die Möglichkeit einer Integration dieser Diamantschichten mit temperaturempfindlichen Materialien wie III/V-Halbleitern, Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt oder Polymeren zu untersuchen, wurde der Einfluss der Substrattemperatur ermittelt. Eindimensionale NCD- und UNCD-Diamantnanostrukturen wurden mithilfe der Elektronenstrahllithographie (EBL) und reaktivem Ionenätzen in einem induktiv gekoppelten O2-Plasma (ICP-RIE) hergestellt. Zur Vorbereitung wurden zunächst die Ätzraten in Abhängigkeit von den vier wichtigsten Parametern ermittelt. Weitere Erkenntnisse über die Ätzmechanismen wurden durch Ätzexperiment mit unstrukturierten NCD- und UNCD-Schichten erhalten Mittels der EBL konnten mithilfe von Gold-Ätzmasken Nanosäulen mit Durchmessern von 50 nm bis zu 1 μm hergestellt werden.Eine optische Charakterisierung der NCD- und UNCD-Nanosäulen erfolgte mithilfe von Fluorenzenz-Mapping und Photomumineszenz-Spektroskopie. Diese Messungen ergaben, dass in beiden Arten von Säulen NV-Zentren vorhanden sind. Allerdings wurden nur in NCD-Säulen die gewünschten NV--Zentren gefunden, in UNCD-Säulen hingegen nur NV0-Zentren.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.

Synthesis and fabrication of a thin film containing silica-encapsulated face-centered tetragonal FePt nanoparticles

Self-assembly of monodisperse, silica-encapsulated, face-centered tetragonal FePt nanoparticles forms closely packed 2D arrays (see figure). Placing monodisperse FePt nanoparticles in silica nanocapsules allows the transition from a disordered face-centered cubic phase to a ferromagnetic crystalline face-centered tetragonal structure at elevated temperature without severe sintering. These materials are potential candidates for the generation of ultrahigh-density magnetic recording media.