Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.

Hot wire configuration for depositing device grade nano-crystalline silicon at high deposition rate

The University of Barcelona is developing a pilot-scale hot wire chemical vapor deposition (HW-CVD) set up for the deposition of nano-crystalline silicon (nc-Si:H) on 10 cm × 10 cm glass substrate at high deposition rate. The system manages 12 thin wires of 0.15-0.2 mm diameter in a very dense configuration. This permits depositing very uniform films, with inhomogeneities lower than 2.5%, at high deposition rate (1.5-3 nm/s), and maintaining the substrate temperature relatively low (250 °C). The wire configuration design, based on radicals' diffusion simulation, is exposed and the predicted homogeneity is validated with optical transmission scanning measurements of the deposited samples. Different deposition series were carried out by varying the substrate temperature, the silane to hydrogen dilution and the deposition pressure. By means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the evolution in time of the nc-Si:H vibrational modes was monitored. Particular importance has been given to the study of the material stability against post-deposition oxidation.

Oxygen vacancies as active sites for water dissociation on rutile TiO2(110)

Through an interplay between scanning tunneling microscopy experiments and density functional theory calculations, we determine unambiguously the active surface site responsible for the dissociation of water molecules adsorbed on rutile TiO2(110). Oxygen vacancies in the surface layer are shown to dissociate H2O through the transfer of one proton to a nearby oxygen atom, forming two hydroxyl groups for every vacancy. The amount of water dissociation is limited by the density of oxygen vacancies present on the clean surface exclusively. The dissociation process sets in as soon as molecular water is able to diffuse to the active site.

Bonding of gold nanoclusters to oxygen vacancies on rutile TiO2(110)

Through an interplay between scanning tunneling microscopy (STM) and density functional theory (DFT) calculations, we show that bridging oxygen vacancies are the active nucleation sites for Au clusters on the rutile TiO2(110) surface. We find that a direct correlation exists between a decrease in density of vacancies and the amount of Au deposited. From the DFT calculations we find that the oxygen vacancy is indeed the strongest Au binding site. We show both experimentally and theoretically that a single oxygen vacancy can bind 3 Au atoms on average. In view of the presented results, a new growth model for the TiO2(110) system involving vacancy-cluster complex diffusion is presented.

Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.

Mecanismo de fotodegradação de compostos orgânicos catalisada por TiO2

Conventional technology used in the treatment of wastewater has been pointed as a major environmental problem for sustainable development, since minimization is not addressed accordingly. Advanced oxidation processes (AOP), based on the formation of hydroxyl radical (•OH), a powerful oxidant agent, have been considered to be a potential technology for the destruction of many toxic compounds. Photocatalysis using solar light, an AOP, has been studied for nearly 20 years and recently attracted great interest as a clean-up technology. However, solar detoxification processes have not yet achieved commercial success. This article presents an overview of reaction mechanisms at the surface of semiconductors used as photocatalysts (specially TiO2), when heterogeneous photocatalysis is used to remove hazardous compounds from contaminated sites.

Study of the optical properties of TeO2-PbO-TiO2 glass system

We describe the preparation and some optical properties of high refractive index TeO2-PbO-TiO2 glass system. Highly homogeneous glasses were obtained by agitating the mixture during the melting process in an alumina crucible. The characterization was done by X-ray diffraction, Raman scattering, light absorption and linear refractive index measurements. The results show a change in the glass structure as the PbO content increases: the TeO4 trigonal bipyramids characteristics of TeO2 glasses transform into TeO3 trigonal pyramids. However, the measured refractive indices are almost independent of the glass composition. We show that third-order nonlinear optical susceptibilities calculated from the measured refractive indices using Lines' theoretical model are also independent of the glass composition.

Estudo por espectroscopia no infravermelho da interação metal-suporte em Pt/TiO2. A influência da adsorção de hidrogênio

The influence of the presence of hydrogen on Pt/TiO2 catalysts submitted to reduction treatment has been studied by FT-IR at room temperature. After submitting to LTR treatment, the hydrogen spillover has been detected and the presence of hydrogen at the bulk is shown to produce a strong absorption in the infrared spectral region. After HTR treatment, the hydrogen is strongly chemissorbed.

Análise por difração de raios x de filmes de óxidos cerâmicos compostos por IrO2/TiO2/CeO2

Independent of the sample form (powder or film), XRD analysis of Ir0,3Ti(0,7-x)Ce xO2, (nominal) mixtures, for x=0, shows the formation of a solid solution phase between IrO2 and TiO2, as well as the rutile phases of IrO2 and TiO2. The presence of the anatase phase of TiO2 is also confirmed. The introduction of 30 mol% CeO2 in the mixture reveals the presence of the CeO2 and Ce2O3 phases, besides the already mentioned ones, in the powder. In the film form, however, an amorphous phase is identified. When all of the TiO2 is substituded by CeO2, for both sample forms, the only phases found are IrO2, CeO2 and Ce2O3. This result suggests cerium oxides are not capable of forming solid solutions with either IrO2 or (Ir,Ti)O2 acting solely as a dispersant matrix for these phases. These results are consistent with the much higher electrochemically active surface area when CeO2 is introduced in the binary Ti/Ir0,3Ti0,7O2 mixture. It was possible to establish a relationship between the electrochemical stability of the supported films and their crystalline structure. The unexpected presence of TiO2 and Ti2O3 in the Ti/Ir0,3Ce0,7O2 (film sample) is attributed to oxidation of the Ti support during the calcination step.

Caracterização textural e estrutural de V2O5/TiO2 obtidos via sol-gel: comparação entre secagem convencional e supercrítica

This work describes a modified sol-gel method for the preparation of V2O5/TiO2 catalysts. The samples have been characterized by N2 adsorption at 77K, x-ray diffractometry (XRD) and Fourier Transform Infrared (FT-IR). The surface area increases with the vanadia loading from 24 m² g-1, for pure TiO2, to 87 m² g-1 for 9wt.% of V2O5. The rutile form is predominant for pure TiO2 but became enriched with anatase phase when vanadia loading is increased. No crystalline V2O5 phase was observed in the catalysts diffractograms. Two species of surface vanadium observed by FT-IR spectroscopy a monomeric vanadyl and polymeric vanadates, the vanadyl/vanadate ratio remains practically constant.

Nano vitrocerâmica de escória de aciaria

The manufacture of glass-ceramics is an alternative route for the commercial use of metallurgical slags. Such types of glass-ceramics may find commercial applications owing to their low cost, good mechanical properties and superior visual aspect. Besides, due to the elimination of that industrial residue from the environment and also due to the possibility of replacement of natural stones such as marbles and granites, the use of slags is an activity with strong ecological appeal. While the use of blast-furnace slags for the production of glass-ceramics is well known, the utilization of steel making slags constitutes a challenge, because these materials possess low concentration of SiO2. In this work a novel composition for producing glasses and glass-ceramics from a steelmaking slag is presented. The crystal nucleation kinetics, the characterization of the resulting microstructures for two different thermal treatments and mechanical properties of the glass-ceramics are discussed. A glass-ceramic having a marble aspect, fine volumetric crystallization, high degree of crystallization and improved mechanical strength was obtained.

Azul de metileno imobilizado na celulose/TiO2 e SiO2/TiO2: propriedades eletroquímicas e planejamento fatorial

The electrochemical properties of methylene blue immobilized on cellulose/TiO2 and mixed oxide SiO2/TiO2 matrices were investigated by means of cyclic voltammetry. The electron mediator property of the methylene blue was optimized using a factorial design, consisting of four factors in two levels. The experimental observations and data analyses on the system indicate that the lowest peak separation occurs for Sil/TiOAM, 1.0 mol L-1 KCl solution and 20 mV s-1 scan rate, while values of current ratio closest to unity were found for Cel/TiOAM independent of electrolyte concentration, 0.2 or 1.0 mol L-1, and scan rate, 20 mV s-1 or 60 mV s-1.

Imobilização de TiO2 em concreto: fotodegradação de clorofórmio e fenol

TiO2 immobilization on concrete was studied using mixtures with cement, varnish and resin. The UV radiation sources were a germicide UV lamp and solar light. Aqueous solutions of chloroform (CHCl3) and of phenol were prepared and recirculated over the TiO2 immobilized surfaces. The immobilized TiO2 surfaces showed better photocatalytic efficiency for phenol degradation compared to the control. For CHCl3, the presence or absence of the catalyst did not cause any significant difference to its degradation efficiency. The micrographic results showed a more homogeneous surface for TiO2 immobilized in resin and varnish.