Investigations on TiO2 Based Nanocomposites as Potential Photonic Materials

This Study overviews the basics of TiO2with respect to its structure, properties and applications. A brief account of its structural, electronic and optical properties is provided. Various emerging technological applications utilising TiO2 is also discussed.Till now, exceptionally large number of fundamental studies and application-oriented research and developments has been carried out by many researchers worldwide in TiO2 with its low-dimensional nanomaterial form due to its various novel properties. These nanostructured materials have shown many favourable properties for potential applications, including pollutant photocatalytic decomposition, photovoltaic cells, sensors and so on. This thesis aims to make an in-depth investigation on different linear and nonlinear optical and structural characteristics of different phases of TiO2. Correspondingly, extensive challenges to synthesise different high quality TiO2 nanostructure derivatives such as nanotubes, nanospheres, nanoflowers etc. are continuing. Here, different nanostructures of anatase TiO2 were synthesised and analysed. Morphologically different nanostructures were found to have different impact on their physical and electronic properties such as varied surface area, dissimilar quantum confinement and hence diverged suitability for different applications. In view of the advantages of TiO2, it can act as an excellent matrix for nanoparticle composite films. These composite films may lead to several advantageous functional optical characteristics. Detailed investigations of these kinds of nanocomposites were also performed, only to find that these nanocomposites showed higher adeptness than their parent material. Fine tuning of these parameters helps researchers to achieve high proficiency in their respective applications. These innumerable opportunities aims to encompass the new progress in studies related to TiO2 for an efficient utilization in photo-catalytic or photo-voltaic applications under visible light, accentuate the future trends of TiO2-research in the environment as well as energy related fields serving promising applications benefitting the mankind. The last section of the thesis discusses the applicability of analysed nanomaterials for dye sensitised solar cells followed by future suggestions.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

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.

Biological Photonic Crystals: Diatoms

The aim of this work was to produce a variety of fluorescent diatom cell wall material as a basis for spectroscopic investigations of the influence of the photonic structure on the emission of an incorporated laser dye. This goal was achieved by the method of in vivo-fluorochromation, in which the fluorescence dyes are incorporated by the diatom cells during cell wall formation. Several fluorescent dyes (mostly rhodamines) known as strong laser dyes, were tested for a possible application within this method. The results of this work show that half of the tested rhodamines can be applied for an in vivo-fluorochromation of diatom cells. For a successful incorporation into the diatom cell wall, a relatively low toxicity to diatom cells is necessary. Replacement of the carbon acid function at the carboxyphenyl ring of the rhodamine by a methyl or ethylester function showed to convert a rhodamine of relatively low toxicity to a rhodamine leading to severe lethal effects within the cells. In contrast to their carbon acid forms, which posses a net neutral charge of the molecule, rhodamine esters exhibit a net positive charge. The enhanced toxicological effects seem to be due to an increased accumulation of positive charged rhodamines within the mitochondria, an increased hydrophobicity due to the attachment of an alkyl substituent, an increased retention time of the dyes within the mitochondria and a therefore stronger negative effect on the mitochondrial membrane bound energy processes of the diatom cell. Therefore rhodamines with a positive net charge deriving from a methyl or ethylester function at the carboxy phenyl ring instead of a carbon acid substituent showed not to be suitable for long-term investigations/ biomineralization studies of diatoms. Investigations performed on diatom species of different orders showed that rhodamine 19, rhodamine B, and rhodamine 101 can presumably be successfully applied for in vivo-fluorochromation to all diatom species. The results obtained here can help to find further laser dyes for an in vivo-fluorochromation of diatom cells and therefore for the production of fluorescent nanostructural elements for a detailed optical investigation of the diatom cell wall. First optical measurements performed on in vivo-fluorochromated cell walls did not give any hints concerning the photonic structure of the diatom cell. Cell wall parts with different nanostructural elements were investigated and by comparison of the obtained fluorescence emission spectra, no special features that might derive from photonic structural effects could be observed. Results concerning the concentration dependent shifts within the emission spectra, as well as the decrease of fluorescence intensity of the stained cell wall structures with increasing dye concentration, depict that several effects occurring by interaction of the molecules within the cell wall can have an impact on the technical application of fluorescent cell walls. It can be assumed that the investigation of the photonic crystal behaviour and the possibility to achieve laser action within the diatom cell wall can be hampered by molecular interactions. The results give hints to prevent such obstacles. Comparison of the recent findings and state of the art of in vivo-fluorochromation of diatom cell wall material, make clear that the here presented results are of importance and can offer a considerable contribution to the development and establishment of new biosilification markers, for diatoms as well as for other biosilifying organisms.

First-principles electronic theory of non-collinear magnetic order in transition-metal nanowires

The structural, electronic and magnetic properties of one-dimensional 3d transition-metal (TM) monoatomic chains having linear, zigzag and ladder geometries are investigated in the frame-work of first-principles density-functional theory. The stability of long-range magnetic order along the nanowires is determined by computing the corresponding frozen-magnon dispersion relations as a function of the 'spin-wave' vector q. First, we show that the ground-state magnetic orders of V, Mn and Fe linear chains at the equilibrium interatomic distances are non-collinear (NC) spin-density waves (SDWs) with characteristic equilibrium wave vectors q that depend on the composition and interatomic distance. The electronic and magnetic properties of these novel spin-spiral structures are discussed from a local perspective by analyzing the spin-polarized electronic densities of states, the local magnetic moments and the spin-density distributions for representative values q. Second, we investigate the stability of NC spin arrangements in Fe zigzag chains and ladders. We find that the non-collinear SDWs are remarkably stable in the biatomic chains (square ladder), whereas ferromagnetic order (q =0) dominates in zigzag chains (triangular ladders). The different magnetic structures are interpreted in terms of the corresponding effective exchange interactions J(ij) between the local magnetic moments μ(i) and μ(j) at atoms i and j. The effective couplings are derived by fitting a classical Heisenberg model to the ab initio magnon dispersion relations. In addition they are analyzed in the framework of general magnetic phase diagrams having arbitrary first, second, and third nearest-neighbor (NN) interactions J(ij). The effect of external electric fields (EFs) on the stability of NC magnetic order has been quantified for representative monoatomic free-standing and deposited chains. We find that an external EF, which is applied perpendicular to the chains, favors non-collinear order in V chains, whereas it stabilizes the ferromagnetic (FM) order in Fe chains. Moreover, our calculations reveal a change in the magnetic order of V chains deposited on the Cu(110) surface in the presence of external EFs. In this case the NC spiral order, which was unstable in the absence of EF, becomes the most favorable one when perpendicular fields of the order of 0.1 V/Å are applied. As a final application of the theory we study the magnetic interactions within monoatomic TM chains deposited on graphene sheets. One observes that even weak chain substrate hybridizations can modify the magnetic order. Mn and Fe chains show incommensurable NC spin configurations. Remarkably, V chains show a transition from a spiral magnetic order in the freestanding geometry to FM order when they are deposited on a graphene sheet. Some TM-terminated zigzag graphene-nanoribbons, for example V and Fe terminated nanoribbons, also show NC spin configurations. Finally, the magnetic anisotropy energies (MAEs) of TM chains on graphene are investigated. It is shown that Co and Fe chains exhibit significant MAEs and orbital magnetic moments with in-plane easy magnetization axis. The remarkable changes in the magnetic properties of chains on graphene are correlated to charge transfers from the TMs to NN carbon atoms. Goals and limitations of this study and the resulting perspectives of future investigations are discussed.

BioJADE: A Design and Simulation Tool for Synthetic Biological Systems

The next generations of both biological engineering and computer engineering demand that control be exerted at the molecular level. Creating, characterizing and controlling synthetic biological systems may provide us with the ability to build cells that are capable of a plethora of activities, from computation to synthesizing nanostructures. To develop these systems, we must have a set of tools not only for synthesizing systems, but also designing and simulating them. The BioJADE project provides a comprehensive, extensible design and simulation platform for synthetic biology. BioJADE is a graphical design tool built in Java, utilizing a database back end, and supports a range of simulations using an XML communication protocol. BioJADE currently supports a library of over 100 parts with which it can compile designs into actual DNA, and then generate synthesis instructions to build the physical parts. The BioJADE project contributes several tools to Synthetic Biology. BioJADE in itself is a powerful tool for synthetic biology designers. Additionally, we developed and now make use of a centralized BioBricks repository, which enables the sharing of BioBrick components between researchers, and vastly reduces the barriers to entry for aspiring Synthetic Biologists.

Defects in Self Assembled Colloidal Crystals

Colloidal self assembly is an efficient method for making 3-D ordered nanostructures suitable for materials such as photonic crystals and macroscopic solids for catalysis and sensor applications. Colloidal crystals grown by convective methods exhibit defects on two different scales. Macro defects such as cracks and void bands originate from the dynamics of meniscus motion during colloidal crystal growth while micro defects like vacancies, dislocation and stacking faults are indigenous to the colloidal crystalline structure. This paper analyses the crystallography and energetics of the microscopic defects from the point of view of classical thermodynamics and discusses the strategy for the control of the macroscopic defects through optimization of the liquid-vapor interface.

Biological Routes to Gold Nanoplates

Much effort has been devoted to the synthesis of gold nanoparticles with different shapes, including the zero-dimensional nanospheres, one dimensional nanorods, and two-dimensional nanoplates. Compared to zero or one dimensional nanostructures, the synthesis of two-dimensional nanostructures in high yield has always been more involved, often requiring complex and time-consuming steps such as morphology transformation from the nanospheres, or the seeded growth process. Herein we report a high yield method for gold nanoplate synthesis using the extract of unicellular green alga Chlorella vulgaris, which can be carried out under ambient conditions. More than 90% of the total nanoparticle population is of the platelet morphology, surpassing the previously reported value of 45%. The control of the anisotropic growth of different planes; as well as the lateral size, has also been partially optimized.

Theory of enhanced magnetic anisotropy induced by Pt adatoms on two-dimensional Co clusters supported on a Pt(111) substrate

Calculations are reported of the magnetic anisotropy energy of two-dimensional (2D) Co nanostructures on a Pt(111) substrate. The perpendicular magnetic anisotropy (PMA) of the 2D Co clusters strongly depends on their size and shape, and rapidly decreases with increasing cluster size. The PMA calculated is in reasonable agreement with experimental results. The sensitivity of the results to the Co-Pt spacing at the interface is also investigated and, in particular, for a complete Co monolayer we note that the value of the spacing at the interface determines whether PMA or in-plane anisotropy occurs. We find that the PMA can be greatly enhanced by the addition of Pt adatoms to the top surface of the 2D Co clusters. A single Pt atom can induce in excess of 5 meV to the anisotropy energy of a cluster. In the absence of the Pt adatoms the PMA of the Co clusters falls below 1 meV/Co atom for clusters of about 10 atoms whereas, with Pt atoms added to the surface of the clusters, a PMA of 1 meV/Co atom can be maintained for clusters as large as about 40 atoms. The effect of placing Os atoms on the top of the Co clusters is also considered. The addition of 5d atoms and clusters on the top of ferromagnetic nanoparticles may provide an approach to tune the magnetic anisotropy and moment separately.

Construction of Helical Nanofibers from Self-Assembling Pseudopeptide Building Blocks: Modulating the Handedness and Breaking the Helicity

Helical nanofibers are successfully constructed from suitable self-assembling pseudopeptide-based molecular building blocks. The handedness of these nanofibers can be reversed by using mirror-imaged pseudopeptide-based building blocks. Straight nanofibers are also constructed by modulating the molecular and supramolecular structures by the proper choice of the stereochemical nature of the molecular scaffolds. This study demonstrates that molecular structure and chirality are not the only determining factors for tuning the morphology and chirality of nanostructures; the nature of the supramolecular structures formed from the corresponding molecular scaffolds also plays a key role in dictating the shape and chirality of nanostructures. Helical nanofibers are suitable templates for fabricating dipeptide-capped gold nanoparticles, indicating a possible use of these nanofibers in the construction of arrays of gold nanoparticles.

Ordering in thin films of block copolymers: fundamentals to potential applications

The ordering of block copolymers in thin films is reviewed, starting, from the fundamental principles and extending to recent promising developments as templates for nanolithography which may find important applications in the semiconductor industry. Ordering in supported thin films of symmetric and asymmetric AB diblock and ABA triblock copolymers is discussed, along with that of more complex materials such as ABC triblocks and liquid crystalline block copolymers Techniques to prepare thin films, and to characterise ordering within them, are summarized. Several methods to align Hock copolymer nanostructures, important in several applications are outlined A number of potential applications in nanolithography, production of porous materials, templating. and patterning of organic and inorganic materials are then presented. The influence of crystallization on the morphology of a block copolymer film is briefly discussed, as are structures in grafted block copolymer films. (C) 2009 Elsevier Ltd All rights reserved.

The effect of PEG crystallization on the morphology of PEG/peptide block copolymers containing amyloid beta-peptide fragments

Ordered nanostructures are observed in the melt and solid state for a series of three peptide/PEG conjugates containing fragments of amyloid beta-peptides. These are conjugated to PEG with (M) over bar (n) = 3 300 g.mol(-1) and a melting temperature T-m = 45-50 degrees C. The morphology at room temperature is examined by AFM and POM. This shows spherulite formation for the weakly fibrillizing KLVFF-PEG sample but fibril formation for FFKLVFF-PEG. The fibrillization tendency of the latter is enhanced by multiple phenylalanine residues. Simultaneous SAXS and WAXS was used to investigate the morphology as a function of temperature. The secondary structure is probed by FTIR.

Nanostructure formation in poly(gamma-benzyl-L-glutamate)-poly(ethylene glycol)-poly(gamma-benzyl-L-glutamate) triblock copolymers in the solid state

The morphology in the solid state of a series of triblock copolymers comprising a poly(ethylene glycol) (PEG) midblock and symmetric poly(gamma-benzyl-L-glutamate) (PBLG) end blocks has been studied using X-ray scattering and microscopy techniques. Transmission electron microscopy (TEM) on samples selectively stained with uranyl acetate provided clear assignment of morphologies for as-cast and annealed samples. The thickness of both PEG and PBLG domains was in good agreement with calculations based on the conformations of the respective chains, allowing for the crystal or amorphous state of PEG and the a-helical or P-sheet structure of the PBLG. Atomic force microscopy provided complementary information on surface morphology for several samples that was in good agreement with the structure observed by TEM. A morphology diagram was constructed. Cylindrical structures were observed for ordered samples with low f(PBLG), whereas at higher f(PLBG) there was evidence for broken lamellar and "hockey puck" nanostructures. Regular lamellae were observed for intermediate compositions.

Modulating self-assembly of a nanotape-forming peptide amphiphile with an oppositely charged surfactant

A peptide amphiphile (PA) C16-KTTKS, containing a pentapeptide headgroup based on a sequence from procollagen I attached to a hexadecyl lipid chain, self-assembles into extended nanotapes in aqueous solution. The tapes are based on bilayer structures, with a 5.2 nm spacing. Here, we investigate the effect of addition of the oppositely charged anionic surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) via AFM, electron microscopic methods, small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction among other methods. We show that addition of SDS leads to a transition from tapes to fibrils, via intermediate states that include twisted ribbons. Addition of SDS is also shown to enhance the development of remarkable lateral ‘‘stripes’’ on the nanostructures, which have a 4 nm periodicity. This is ascribed to counterion condensation. The transition in the nanostructure leads to changes in macroscopic properties, in particular a transition from sol to gel is noted on increasing SDS (with a further reentrant transition to sol on further increase of SDS concentration). Formation of a gel may be useful in applications of this PA in skincare applications and we show that this can be controlled via development of a network of fine stranded fibrils.