Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

The Role of Diffusion in ISOL Targets for the Production of Radioactive Ion Beams

On line isotope separation techniques (ISOL) for production of ion beams of short-lived radionuclides require fast separation of nuclear reaction products from irradiated target materials followed by a transfer into an ion source. As a first step in this transport chain the release of nuclear reaction products from refractory metals has been studied systematically and will be reviewed. High-energy protons (500 - 1000 MeV) produce a large number of radionuclides in irradiated materials via the nuclear reactions spallation, fission and fragmentation. Foils and powders of Re, W, Ta, Hf, Mo, Nb, Zr, Y, Ti and C were irradiated with protons (600 - 1000 MeV) at the Dubna synchrocyclotron, the CERN synchrocyclotron and at the CERN PS-booster to produce different nuclear reaction products. The main topic of the paper is the determination of diffusion coefficients of the nuclear reaction products in the target matrix, data evaluation and a systematic interpretation of the data. The influence of the ionic radius of the diffusing species and the lattice type of the host material used as matrix or target on the diffusion will be evaluated from these systematics. Special attention was directed to the release of group I, II and III-elements. Arrhenius plots lead to activation energies of the diffusion process.

Pulsed photoacoustic technique to study nonlinear processes in liquids: Results in toluene

Pulsed photoacoustic measurements have been carried out in toluene at 532 nm wavelength using a Q-switched frequency doubled Nd:YAG laser. The variation of photoacoustic signal amplitude with incident laser power indicates that at lower laser powers one photon absorption takes place at this wavelength while a clear two photon absorption occurs in this liquid at higher laser powers. The studies made here demonstrate that pulsed photoacoustic technique is simple and effective for the investigation of multiphoton processes in liquids.

Studies on Heat Diffusion in Selected Conducting Polymers using Probe Beam Deflection and Photoacoustic Techniques

In the present study, radio frequency plasma polymerization technique is used to prepare thin films of polyaniline, polypyrrole, poly N-methyl pyrrole and polythiophene. The thermal characterization of these films is carried out using transverse probe beam deflection method. Electrical conductivity and band gaps are also determined. The effect of iodine doping on electrical conductivity and the rate of heat diffusion is explored.Bulk samples of poyaniline and polypyrrole in powder form are synthesized by chemical route. Open photoacoustic cell configuration is employed for the thermal characterization of these samples. The effect of acid doping on heat diffusion in these bulk samples of polyaniline is also investigated. The variation of electrical conductivity of doped polyaniline and polypyrrole with temperature is also studied for drawing conclusion on the nature of conduction in these samples. In order to improve the processability of polyaniline and polypyrrole, these polymers are incorporated into a host matrix of poly vinyl chloride. Measurements of thermal diffusivity and electrical conductivity of these samples are carried out to investigate the variation of these quantities as a function of the content of polyvinyl chloride.

Study of Laser Ablation in Liquids Using Pulsed Photoacoustic Technique

Laser ablation processes in liquid benzene, toluene and carbon disulphide have been investigated by pulsed photoacoustic technique using 532 nm radiation from a frequency doubled Q-switched Nd:YAG laser. The nature of variation of photoacoustic signal amplitude with laser energy clearly indicates that different phenomena are involved in the generation of photoacoustic effect and these are discussed in detail. Our results suggest multiphoton induced photofragmentation as the most plausible interaction process occurring during laser ablation in these liquids.

Influence of mass diffusion in sea ice dynamical models

The mixing of floes of different thickness caused by repeated deformation of the ice cover is modeled as diffusion, and the mass balance equation for sea ice accounting for mass diffusion is developed. The effect of deformational diffusion on the ice thickness balance is shown to reach 1% of the divergence effect, which describes ridging and lead formation. This means that with the same accuracy the mass balance equation can be written in terms of mean velocity rather than mean mass-weighted velocity, which one should correctly use for a multicomponent fluid such as sea ice with components identified by floe thickness. Mixing (diffusion) of sea ice also occurs because of turbulent variations in wind and ocean drags that are unresolved in models. Estimates of the importance of turbulent mass diffusion on the dynamic redistribution of ice thickness are determined using empirical data for the turbulent diffusivity. For long-time-scale prediction (≫5 days), where unresolved atmospheric motion may have a length scale on the order of the Arctic basin and the time scale is larger than the synoptic time scale of atmospheric events, turbulent mass diffusion can exceed 10% of the divergence effect. However, for short-time-scale prediction, for example, 5 days, the unresolved scales are on the order of 100 km, and turbulent diffusion is about 0.1% of the divergence effect. Because inertial effects are small in the dynamics of the sea ice pack, diffusive momentum transfer can be disregarded.

Chirikov diffusion in the asteroidal three-body resonance (5,-2,-2)

The theory of diffusion in many-dimensional Hamiltonian system is applied to asteroidal dynamics. The general formulation developed by Chirikov is applied to the NesvornA1/2-Morbidelli analytic model of three-body (three-orbit) mean-motion resonances (Jupiter-Saturn-asteroid). In particular, we investigate the diffusion along and across the separatrices of the (5, -2, -2) resonance of the (490) Veritas asteroidal family and their relationship to diffusion in semi-major axis and eccentricity. The estimations of diffusion were obtained using the Melnikov integral, a Hadjidemetriou-type sympletic map and numerical integrations for times up to 10(8) years.

Clustering and diffusion in a symplectic map lattice with non-local coupling

We study a symplectic chain with a non-local form of coupling by means of a standard map lattice where the interaction strength decreases with the lattice distance as a power-law, in Such a way that one can pass continuously from a local (nearest-neighbor) to a global (mean-field) type of coupling. We investigate the formation of map clusters, or spatially coherent structures generated by the system dynamics. Such clusters are found to be related to stickiness of chaotic phase-space trajectories near periodic island remnants, and also to the behavior of the diffusion coefficient. An approximate two-dimensional map is derived to explain some of the features of this connection. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modeling Information Diffusion in University Libraries: Assessing Peer Interaction Patterns as a Complex Dynamic System

This presentation was offered as part of the CUNY Library Assessment Conference, Reinventing Libraries: Reinventing Assessment, held at the City University of New York in June 2014.

Measurement of oxygen atom diffusion in Nb and Ta by anelastic spectroscopy

Impurity interstitial atoms present in metals with BCC structure can diffuse in the metallic matrix by jumps to energetically equivalent crystallographic sites. Anelastic spectroscopy (internal friction) is based on the measurement of mechanical loss or internal friction as a function of temperature. Due to its selective and nondestructive nature, anelastic spectroscopy is well suited for the study of diffusion of interstitial elements in metals. Internal friction measurements were made using the torsion pendulum technique with oscillation frequency of a few Hz, temperature interval from 300 to 700 K, heating rate of about 1 K/min, and vacuum better than 10-5 mbar. The polycrystalline Nb and Ta samples used were supplied by Aldrich Inc. The results obtained showed thermally activated relaxation structures due to stress-induced ordering of oxygen atoms around the Nb (or Ta) atoms of the metallic matrix. The results were interpreted by three methods and led to activation enthalpy values for the diffusion of oxygen in Nb and Ta of 1.15 eV and 1.10 eV, respectively.