Recent advances in processing and characterization of periodic mesoporous MCM-41 silicate molecular sieves

The discovery of periodic mesoporous MCM-41 and related molecular sieves has attracted significant attention from a fundamental as well as applied perspective. They possess well-defined cylindrical/hexagonal mesopores with a simple geometry, tailored pore size, and reproducible surface properties. Hence, there is an ever-growing scientific interest in the challenges posed by their processing and characterization and by the refinement of various sorption models. Further, MCM-41-based materials are currently under intense investigation with respect to their utility as adsorbents, catalysts, supports, ion-exchangers, and molecular hosts. In this article, we provide a critical review of the developments in these areas with particular emphasis on adsorption characteristics, progress in controlling the pore sizes, and a comparison of pore size distributions using traditional and newer models. The model proposed by the authors for adsorption isotherms and criticalities in capillary condensation and hysteresis is found to explain unusual adsorption behavior in these materials while providing a convenient characterization tool.

Deuterium NMR Study of Orientational Order in Cellulosic Network Microfibers

Deuterium NMR was used to investigate the orientational order in a composite cellulosic formed by liquid crystalline acetoxypropylcellulose (A PC) and demented nematic 4'-penty1-4-cyanobiphenyl (5CB-4 alpha d(2)) with the per centage of 85% A PC by weight Three forms of the composite including electro spun microfibers, thin film and bulk samples were analyzed The NMR results initially suggest two distinct scenarios, one whet e the 503-alpha d(2), is confined to small droplets with dimensions smaller than the magnetic coherence length and the other where the 503-alpha d(2) molecules arc aligned with the A PC network chains Polarized optical microscopy (POW from thin film samples along with all the NMR results show the presence of 5CB-alpha d(2) droplets in the composite systems with a nematic wetting layer at the APC-5CB-alpha d(2) interface that experiences and order disorder transition driven by the polymer network N-I transition The characterization of the APC network I-N transition shows a pronounced subcritical behavior within a heterogeneity scenario.

Structural Color and Iridescence in Transparent Sheared Cellulosic Films

Shear transparent cellulose free-standing thin films can develop iridescence similar to that found in petals of the tulip Queen of the Night. The iridescence of the film arises from the modulation of the surface into bands periodically spread perpendicular to the shear direction. Small amounts of nanocrystalline cellulose (NCC) rods in the precursor liquid-crystalline solutions do not disturb the optical properties of the solutions but enhance the mechanical characteristics of the films and affects their iridescence. Smaller bands periodicity, not affected by the NCC rods, slightly deviated from the shear direction is also observed. NCCs are crucial to tune and understand the film's surface features formation. Our findings could lead to new materials for application in soft reflective screens and devices.

Hélices e Espirais em Micro e Nanofibras Celulósicas

A celulose é o polímero renovável mais abundante do mundo. É conhecido pela sua excelente biocompatibilidade, propriedades térmicas e mecânicas. A celulose assim como os polipéptideos e o ADN, pertence a uma família de moléculas orgânicas que dão origem à formação de fases líquidas cristalinas (LCs) colestéricas. A Passiflora Edulis, tal como outras plantas trepadeiras, possui longas e flexíveis gavinhas que permitem à planta encontrar um suporte para se fixar. As gavinhas podem assumir a forma de espirais ou de hélices consoante sejam sustentadas por apenas uma ou por ambas as extremidades. As hélices apresentam muitas vezes duas porções helicoidais, uma esquerda e outra direita, separadas por um segmento recto denominado perversão. Este comportamento é consequência da curvatura intrínseca das gavinhas produzidas pela planta trepadeira. O mesmo comportamento pode ser observado em micro e nanofibras celulósicas fabricadas a partir de soluções líquido-cristalinas, numa escala três a quatro ordens de grandeza inferior à das gavinhas. Este facto sugere que o modelo físico utilizado tenha invariância de escala. Neste trabalho é feito o estudo de fibras e jactos que imitam as estruturas helicoidais apresentadas pelas gavinhas das plantas trepadeiras. As fibras e jactos são produzidos a partir de soluções líquidas cristalinas celulósicas. De modo a determinar as características morfológicas e estruturais, que contribuem para a curvatura das fibras, foram utilizadas técnicas de imagem por ressonância magnética (MRI), microscopia óptica com luz polarisada (MOP), microscopia electrónica de varrimento (SEM) e microscopia de força atómica (AFM) . A variação da forma das estruturas helicoidais com a temperatura parece ser relevante para o fabrico de membranas não tecidas para aplicação em sensores termo-mecânicos.

Old cellulose for new multifunctional networks

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais

In-line rheo-optical microstructural characterization of complex polymer systems

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos.

Structural investigations into the interaction of hemoglobin and part structures with bacterial endotoxins.

An understanding of details of the interaction mechanisms of bacterial endotoxins (lipopolysaccharide, LPS) with the oxygen transport protein hemoglobin is still lacking, despite its high biological relevance. Here, a biophysical investigation into the endotoxin:hemoglobin interaction is presented which comprises the use of various rough mutant LPS as well as free lipid A; in addition to the complete hemoglobin molecule from fetal sheep extract, also the partial structure alpha-chain and the heme-free sample are studied. The investigations comprise the determination of the gel-to-liquid crystalline phase behaviour of the acyl chains of LPS, the ultrastructure (type of aggregate structure and morphology) of the endotoxins, and the incorporation of the hemoglobins into artificial immune cell membranes and into LPS. Our data suggest a model for the interaction between Hb and LPS in which hemoglobins do not react strongly with the hydrophilic or with the hydrophobic moiety of LPS, but with the complete endotoxin aggregate. Hb is able to incorporate into LPS with the longitudinal direction parallel to the lipid A double-layer. Although this does not lead to a strong disturbance of the LPS acyl chain packing, the change of the curvature leads to a slightly conical molecular shape with a change of the three-dimensional arrangement from unilamellar into cubic LPS aggregates. Our previous results show that cubic LPS structures exhibit strong endotoxic activity. The property of Hb on the physical state of LPS described here may explain the observation of an increase in LPS-mediating endotoxicity due to the action of Hb.

Síntese de copolímeros em bloco com propriedades líquido cristalinas

The principal techniques for the synthesis of liquid crystalline block copolymers are reviewed. The syntheses are done by living/controlled free radical chain polymerization. The copolymers display an amorphous continuous phase and a discontinuous liquid crystalline phase (LC). The presence of oxypropylenic segments disturbs the range of mesophase transitions at lower temperatures. This behavior is not observed when styrenic segments are employed and suggests that the liquid crystalline behavior can be modified in block copolymers to show mesophases at higher and lower temperatures according to the flexibility of the chain segment that is present.

Desenvolvimento de sistemas líquido-cristalinos empregando silicone fluido de co-polímero glicol e poliéter funcional siloxano

For the construction of the phase diagrams, the method of the aqueous titration was used. There were prepared 5 ternary diagrams, varying the surfactant and the oil phase. The liquid-crystalline phases were identified by polarized light microscopy. The formulations prepared with silicon glycol copolymer, polyether functional siloxane (PFS) and water (S1) and with diisopropyl adipate, PFS and water (S4) presented liquid-crystalline phases with lamellar arrangement. Moreover, after 15 days in hot oven (37 ºC), the formulations presented hexagonal arrangement, evidencing the influence of the temperature in the organization of the system.

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.

Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Photoacoustic evaluation of the thermal effusivity in the isotropic phase of certain comb-shaped polymers

The thermal effusivity values in the isotropic phase of certain comb-shaped polymers have been evaluated for the first time using an open photoacoustic cell configuration. The compounds investigated have siloxane and acrylate backbone and they carry mesogenic groups in their side chain. The results indicate that the polymer chain length as well as the side chain length have pronounced influence on the thermal effusivity values in liquid crystalline polymers

Spontaneous condensation in DNA-polystyrene-b-poly(l-lysine) polyelectrolyte block copolymer mixtures

We investigated the condensation of calf thymus DNA by amphiphilic polystyrene(m)-b-poly(l-lysine)(n) block copolymers (PSm-b- PLys(n), m, n = degree of polymerization), using small-angle X-ray scattering, polarized optical microscopy and laser scanning confocal microscopy. Microscopy studies showed that the DNA condenses in the form of fibrillar precipitates, with an irregular structure, due to electrostatic interactions between PLys and DNA. This is not modified by the presence of hydrophobic PS block. Scattering experiments show that the structure of the polyplexes corresponds to a local order of DNA rods which becomes more compact upon increasing n. It can be concluded that for DNA/ PSm-b- PLys(n) polyplexes, the balance between the PLys block length and the excess charge in the system plays an essential role in the formation of a liquid crystalline phase.