Extraordinary mechanical properties of monatomic C3N2 chain

One-dimensional monatomic chains are promising candidates for technical applications in the field of nanoelectronics due to their unique mechanical, electrical and optical properties. In particular, we investigate the mechanical properties including Young's modulus, ultimate strength and ultimate strain, which are necessities for the stability of the materials by the Car-Parrinello molecular dynamics in this work. The comparative studies for the alternating carbon-nitrogen (C₃N₂) chain and carbon chains (carbyne) of different lengths show that the carbon-nitrogen (C-N) chain is obviously stronger and stiffer than carbynes. Thus the C-N chain, which has been found in decomposition products of the nitromethane explosive simulations, could be a superior nano-mechanical material than the carbyne chain. Furthermore, it is found that the bond order of weakest bond in monatomic chains is positively correlated with Young's modulus and ultimate strength of materials.

Molecularly imprinted polymer based on MWCNTs-QDs as fluorescent biomimetic sensor for specific recognition of target protein

A novel molecularly imprinted optosensing material based on multi-walled carbon nanotube-quantum dots (MWCNT-QDs) has been designed and synthesized for its high selectivity, sensitivity and specificity in the recognition of a target protein bovine serum albumin (BSA). Molecularly imprinted polymer coated MWCNT-QDs using BSA as the template (BMIP-coated MWCNT-QDs) exhibits a fast mass-transfer speed with a response time of 25 min. It is found that the BSA as a target protein can significantly quench the luminescence of BMIP-coated MWCNT-QDs in a concentration-dependent manner that is best described by a Stem-Volmer equation. The K-SV for BSA is much higher than bovine hemoglobin and lysozyme, implying a highly selective recognition of the BMIP-coated MWCNT-QDs to BSA. Under optimal conditions, the relative fluorescence intensity of BMIP-coated MWCNT-QDs decreases linearly with the increasing target protein BSA in the concentration range of 5.0 x 10(-7)-35.0 x 10(-7) M with a detection limit of 80 nM.

Electrochemical immunosensor for multiplexed detection of food-borne pathogens using nanocrystal bioconjugates and MWCNT screen-printed electrode

Bacterial food poisoning is an ever-present threat that can be prevented with proper care and handling of food products. A disposable electrochemical immunosensor for the simultaneous measurements of common food pathogenic bacteria namely Escherichia coli O157:H7 (E. coli), campylobacter and salmonella were developed. The immunosensor was fabricated by immobilizing the mixture of anti-E. coli, anticampylobacter and anti-salmonella antibodies with a ratio of 1:1:1 on the surface of the multiwall carbon nanotube-polyallylamine modified screen printed electrode (MWCNT-PAH/SPE). Bacteria suspension became attached to the immobilized antibodies when the immunosensor was incubated in liquid samples. The sandwich immunoassay was performed with three antibodies conjugated with specific nanocrystal ( -E. coli-CdS, -campylobacter-PbS and -salmonella-CuS) which has releasable metal ions for electrochemical measurements. The square wave anodic stripping voltammetry (SWASV) was employed to measure released metal ions from bound antibody nanocrystal conjugates. The calibration curves for three selected bacteria were found in the range of 1 × 103 – 5 × 105 cells mL−1 with the limit of detection (LOD) 400 cells mL−1 for salmonella, 400 cells mL−1 for campylobacter and 800 cells mL−1 for E. coli. The precision and sensitivity of this method show the feasibility of multiplexed determination of bacteria in milk samples.

Molecular simulation of gas adsorption equilibria in nanoporous materials

This work is divided into two distinct parts. The first part consists of the study of the metal organic framework UiO-66Zr, where the aim was to determine the force field that best describes the adsorption equilibrium properties of two different gases, methane and carbon dioxide. The other part of the work focuses on the study of the single wall carbon nanotube topology for ethane adsorption; the aim was to simplify as much as possible the solid-fluid force field model to increase the computational efficiency of the Monte Carlo simulations. The choice of both adsorbents relies on their potential use in adsorption processes, such as the capture and storage of carbon dioxide, natural gas storage, separation of components of biogas, and olefin/paraffin separations. The adsorption studies on the two porous materials were performed by molecular simulation using the grand canonical Monte Carlo (μ,V,T) method, over the temperature range of 298-343 K and pressure range 0.06-70 bar. The calibration curves of pressure and density as a function of chemical potential and temperature for the three adsorbates under study, were obtained Monte Carlo simulation in the canonical ensemble (N,V,T); polynomial fit and interpolation of the obtained data allowed to determine the pressure and gas density at any chemical potential. The adsorption equilibria of methane and carbon dioxide in UiO-66Zr were simulated and compared with the experimental data obtained by Jasmina H. Cavka et al. The results show that the best force field for both gases is a chargeless united-atom force field based on the TraPPE model. Using this validated force field it was possible to estimate the isosteric heats of adsorption and the Henry constants. In the Grand-Canonical Monte Carlo simulations of carbon nanotubes, we conclude that the fastest type of run is obtained with a force field that approximates the nanotube as a smooth cylinder; this approximation gives execution times that are 1.6 times faster than the typical atomistic runs.

Fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone : propriétés, réversibilité et applications dans le domaine de l'électronique

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Étude de films de nanotubes de carbone dans le domaine de fréquences térahertz : propriété antiréfléchissante

Les expériences de spectroscopie ont été réalisées en collaboration avec Jean-François Allard du groupe de Denis Morris de l'Université de Sherbrooke.

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Fabrication of Electrochemical Sensors for the Determination of Pharmaceuticals

Voltammetric sensors are an important class of electrochemical sensors in which the analytical information is obtained from the measurement of current obtained as a result of electrochemical oxidation/reduction.This current is proportional to the concentration of the analyte.Chemically modified electrodes(CMEs) have great significance as important analytical tools for the electrochemical determination of pharmaceuticals.The modification of electrode results in efficient determination of electro-active biomolecules at very lower potential without its major interferences.The operation mechanism of CMEs depends on the properties of the modifier materials that are used to promote selectivity towards the target analytes.Modified electrodes can be prepared by deposition of various compounds such as organic compounds ,conducting polymers,metal oxides,etc. on the various electrode surfaces.The thesis presents the development ,electrochemical characterization and analytical application studies of eight voltammetric sensors developed for six drugs viz.,Ambroxol,Sulfamethoxazole,PAM Chloride, Lamivudine,Metronidazole and Nimesulide.The modification techniques adopted as part of the present work include Multiwalled Carbon Nanotube(MWCNT) based modification.Electropolymerisation and Gold Nanoparticle (AuNP) based modifications.

Quantum suppression of shot noise in field emitters

We have analyzed the shot noise of electron emission under strong applied electric fields within the Landauer-Bttiker scheme. In contrast to the previous studies of vacuum-tube emitters, we show that in new generation electron emitters, scaled down to the nanometer dimensions, shot noise much smaller than the Schottky noise is observable. Carbon nanotube field emitters are among possible candidates to observe the effect of shot-noise suppression caused by quantum partitioning.

Voltammetric Sensors for the Determination of Pharmaceuticals

Electrochemical sensors are increasingly being investigated to perform measurements for single or multiple analytes. Demanded by modern medical diagnosis, advances in microfabrication technology have led to the development of fast, sensitive and selective electrochemical sensors for drug analysis. Electrochemical sensors for the measurement of analytes of interest in clinical chemistry are ideally suited for these applications, due to their high sensitivity and selectivity, simple-to-operate, rapid response time and low-cost. As part of the present investigations eight voltammetric sensors have been fabricated for six drugs such as PAM Chloride, Tamsulosin Hydrochloride, Hesperidin Methyl Chalcone, Guaiphenesin, Cephalexin and Amoxicillin trihydrate. The modification techniques adopted as part of the present work include multiwalled carbon nanotube (MWNT) based modifications, electropolymerization, gold nanoparticle (AuNP) based modifications and platinum nanoparticle (PtNP) based modifications. The thesis is divided into nine chapters

Novel Electrochemical and Fluorescence Sensors for Food Additives and Neurotransmitters

There is an enormous demand for chemical sensors in many areas and disciplines including chemistry, biology, clinical analysis, environmental science. Chemical sensing refers to the continuous monitoring of the presence of chemical species and is a rapidly developing field of science and technology. They are analytical devices which transform chemical information generating from a reaction of the analyte into an measurable signal. Due to their high selectivity, sensitivity, fast response and low cost, electrochemical and fluorescent sensors have attracted great interest among the researchers in various fields. Development of four electrochemical sensors and three fluorescent sensors for food additives and neurotransmitters are presented in the thesis. Based on the excellent properties of multi walled carbon nanotube (MWCNT), poly (L-cysteine) and gold nanoparticles (AuNP) four voltammetric sensors were developed for various food additives like propyl gallate, allura red and sunset yellow. Nanosized fluorescent probes including gold nanoclusters (AuNCs) and CdS quantum dots (QDs) were used for the fluorescent sensing of butylated hydroxyanisole, dopamine and norepinephrine. A total of seven sensors including four electrochemical sensors and three fluorescence sensors have been developed for food additives and neurotransmitters.

Electroanalytical determination of promethazine hydrochloride in pharmaceutical formulations on highly boron-doped diamond electrodes using square-wave adsorptive voltammetry

The electrochemical oxidation of promethazine hydrochloride was made on highly boron-doped diamond electrodes. Cyclic voltammetry experiments showed that the oxidation mechanisms involved the formation of an adsorbed product that is more readily oxidized, producing a new peak with lower potential values whose intensity can be increased by applying the accumulation potential for given times. The parameters were optimized and the highest current intensities were obtained by applying +0.78 V for 30 seconds. The square-wave adsorptive voltammetry results obtained in BR buffer showed two well-defined peaks, dependent on the pH and on the voltammetric parameters. The best responses were obtained at pH 4.0, frequency of 50 s(-1), step of 2 mV, and amplitude of 50 mV. Under these conditions, linear responses were obtained for concentrations from 5.96 x 10(-7) to 4.76 x 10(-6) mol L-1, and calculated detection limits of 2.66 x 10(-8) mol L-1 (8.51 mu g L-1) for peak 1 and of 4.61 x 10(-8) mol L-1 (14.77 mu g L-1) for peak 2. The precision and accuracy were evaluated by repeatability and reproducibility experiments, which yielded values of less than 5.00% for both voltammetric peaks. ne applicability of this procedure was tested on commercial formulations of promethazine hydrochloride by observing the stability, specificity, recovery and precision of the procedure in complex samples. All results obtained were compared to recommended procedure by British Pharmacopeia. The voltammetric results indicate that the proposed procedure is stable and sensitive, with good reproducibility even when the accumulation steps involve short times. It is therefore very suitable for the development of the electroanalytical procedure, providing adequate sensitivity and a reliable method.

Efeito da degradação ambiental nas propriedades de cisalhamento de compósitos PPS/fibra de carbono

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