Improvement of coating durability, interfacial adhesion and compressive strength of UHMWPE fiber/epoxy composites through plasma pre-treatment and polypyrrole coating

Ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) fibers have exceptionally higher specific strength and stiffness compared with other high-performance fibers. However, the interfacial adhesion and compressive performance of UHMWPE fiber-reinforced polymer composites (FPCs) are extremely low. The challenges are to achieve load transfer at the interface between the fiber and matrix at a molecular level. Here, we show that plasma pre-treatment of UHMWPE fibers followed by coating with polypyrrole (PPy) results in an 848% improvement in the interfacial adhesion and 54% enhancement in compressive performance. This method takes advantage of a toughening mechanism observed in spider silk and collagen, which the hydrogen bond power the load transfer. The results showed that these improvements of interfacial adhesion and compressive strength were attributed to hydrogen-bonding interactions between the plasma pre-treated UHMWPE and PPy, which improves the fiber-matrix-fiber load transfer process. In addition, the hydrogen-bonded PPy coatings also endowed durability electrical conductivity properties of the UHMWPE fiber.

Enhanced homogeneity and interfacial compatibility in melt-extruded cellulose nano-fibers reinforced polyethylene via surface adsorption of poly(ethylene glycol)-block-poly(ethylene) amphiphiles

In this paper, we demonstrate that an amphiphilic block copolymer such as polyethylene glycol-b-polyethylene can be used as both dispersing and interfacial compatibilizing agent for the melt compounding of LLDPE with cellulose nano-fibers. A simple and effective spray drying methodology was first used for the first time for the preparation of a powdered cellulose nano-fibers extrusion feedstock. Surface adsorption of the amphiphilic PEG-b-PE was carried out directly in solution during this process. These various dry cellulosic feedstock were subsequently combined with LLDPE via extrusion to produce a range of nano-composites. The collective outcomes of this research are several folds. Firstly we show that presence of surface adsorbed PEG-b-PE effectively hindered the aggregation of the cellulose nano-fibers during the extrusion, affording clear homogenous materials with minimum aggregation even at the highest loading of cellulose nano-fibers (∼23 vol.%). Secondly, the tailored LLDPE/cellulose interface arising from intra- and inter-molecular hydrogen and Van der Waals bonds yielded significant levels of mechanical improvements in terms of storage and tensile modulus. We believe this study provides a simple technological template to produce high quality and performant polyolefins cellulose-based nano-composites.

Elucidating the influence of polymorph-dependent interfacial solvent structuring at chitin surfaces

Interfacial solvent structuring is thought to be influential in mediating the adsorption of biomolecules at aqueous materials interfaces. However, despite the enormous potential for exploitation of aqueous chitin interfaces in industrial, medical and drug-delivery applications, little is known at the molecular-level about such interfacial solvent structuring for chitin. Here we use molecular simulation to predict the structure of the [100] and [010] interfaces of α-chitin and β-chitin dihydrate in contact with liquid water and saline solution. We find the α-chitin [100] interface supports lateral high-density regions in the first water layer at the interface, which are also present, but not as pronounced, for β-chitin. The lateral structuring of interfacial ions at the saline/chitin interface is also more pronounced for α-chitin compared with β-chitin. Our findings provide a foundation for the systematic design of biomolecules with selective binding affinity for different chitin polymorphs.

Interfacial characterization and reinforcing mechanism of novel carbon nanotube – carbon fibre hybrid composites

Carbon nanotube (CNT) deposition onto carbon fibre resulting in hybrid surface structures with various morphologies were successfully carried out using electrospray technique. In terms of tensile testing and Weibull analysis this process did not degrade fibre mechanical properties. When incorporated into composites, the interfacial shear strength (IFSS), as measured by single fibre fragmentation testing, increased by up to 124%. Experimental work was carried out to develop a deeper understanding of the interfacial reinforcing mechanism. Contact angle measurements demonstrated that the CNT deposition resulted in good wettability by the resin. Significant increases in roughness, friction and surface area were also found after CNT deposition, especially for the sample prepared using the parameter of 20 kV/10 cm at 100 °C. Surface energy analysis revealed that an increase in the dispersive surface energy due to the CNTs likely contributed to the improvement of interaction between fibre and matrix. Fractographic analysis revealed that the length of fibre pull-out and the size of cracks between the fibre and matrix were markedly decreased in the hybrid CNT surface structure, indicating that the stress transfer and interfacial shear strength have been improved. Finally, the potential for further improvement in interfacial composite properties by this approach was assessed.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Simultaneous optimization of colloidal stability and interfacial charge transfer efficiency in photocatalytic Pt/CdS nanocrystals

Colloidal stability and efficient interfacial charge transfer in semiconductor nanocrystals are of great importance for photocatalytic applications in aqueous solution since they provide long-term functionality and high photocatalytic activity, respectively. However, colloidal stability and interfacial charge transfer efficiency are difficult to optimize simultaneously since the ligand layer often acts as both a shell stabilizing the nanocrystals in colloidal suspension and a barrier reducing the efficiency of interfacial charge transfer. Here, we show that, for cysteine-coated, Pt-decorated CdS nanocrystals and Na2SO3 as hole scavenger, triethanolamine (TEOA) replaces the original cysteine ligands in situ and prolongs the highly efficient and steady H2 evolution period by more than a factor of 10. It is shown that Na2SO3 is consumed during H2 generation while TEOA makes no significant contribution to the H2 generation. An apparent quantum yield of 31.5%, a turnover frequency of 0.11 H2/Pt/s, and an interfacial charge transfer rate faster than 0.3 ps were achieved in the TEOA stabilized system. The short length, branched structure and weak binding of TEOA to CdS as well as sufficient free TEOA in the solution are the keys to enhancing colloidal stability and maintaining efficient interfacial charge transfer at the same time. Additionally, TEOA is commercially available and cheap, and we anticipate that this approach can be widely applied in many photocatalytic applications involving colloidal nanocrystals.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Engineering interfacial silicon dioxide for improved metal-insulator-semiconductor silicon photoanode water splitting performance

Silicon photoanodes protected by atomic layer deposited (ALD) TiO2 show promise as components of water splitting devices that may enable the large-scale production of solar fuels and chemicals. Minimizing the resistance of the oxide corrosion protection layer is essential for fabricating efficient devices with good fill factor. Recent literature reports have shown that the interfacial SiO2 layer, interposed between the protective ALD-TiO2 and the Si anode, acts as a tunnel oxide that limits hole conduction from the photoabsorbing substrate to the surface oxygen evolution catalyst. Herein, we report a significant reduction of bilayer resistance, achieved by forming stable, ultrathin (<1.3 nm) SiO2 layers, allowing fabrication of water splitting photoanodes with hole conductances near the maximum achievable with the given catalyst and Si substrate. Three methods for controlling the SiO2 interlayer thickness on the Si(100) surface for ALD-TiO2 protected anodes were employed: (1) TiO2 deposition directly on an HF-etched Si(100) surface, (2) TiO2 deposition after SiO2 atomic layer deposition on an HF-etched Si(100) surface, and (3) oxygen scavenging, post-TiO2 deposition to decompose the SiO2 layer using a Ti overlayer. Each of these methods provides a progressively superior means of reliably thinning the interfacial SiO2 layer, enabling the fabrication of efficient and stable water oxidation silicon anodes.