Modification of Polypropylene/Polystyrene blend using Nanoclay and Sisal Cellulose nano fiber

Cochin University of Science and Technology

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Moving the nanoscience and technology (NST) debate forwards: short-term impacts, long-term uncertainty and the social constitution

Nanoscience and technology (NST) are widely cited to be the defining technology for the 21st century. In recent years, the debate surrounding NST has become increasingly public, with much of this interest stemming from two radically opposing long-term visions of a NST-enabled future: ‘nano-optimism’ and ‘nano-pessimism’. This paper demonstrates that NST is a complex and wide-ranging discipline, the future of which is characterised by uncertainty. It argues that consideration of the present-day issues surrounding NST is essential if the public debate is to move forwards. In particular, the social constitution of an emerging technology is crucial if any meaningful discussion surrounding costs and benefits is to be realised. An exploration of the social constitution of NST raises a number of issues, of which unintended consequences and the interests of those who own and control new technologies are highlighted.

Structure, morphology and thermal characteristics of banana nano fibers obtained by steam explosion

In this work, cellulose nanofibers were extracted from banana fibers via a steam explosion technique. The chemical composition, morphology and thermal properties of the nanofibers were characterized to investigate their suitability for use in bio-based composite material applications. Chemical characterization of the banana fibers confirmed that the cellulose content was increased from 64% to 95% due to the application of alkali and acid treatments. Assessment of fiber chemical composition before and after chemical treatment showed evidence for the removal of non-cellulosic constituents such as hemicelluloses and lignin that occurred during steam explosion, bleaching and acid treatments. Surface morphological studies using SEM and AFM revealed that there was a reduction in fiber diameter during steam explosion followed by acid treatments. Percentage yield and aspect ratio of the nanofiber obtained by this technique is found to be very high in comparison with other conventional methods. TGA and DSC results showed that the developed nanofibers exhibit enhanced thermal properties over the untreated fibers. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Elaboration of boehmite nano-powders by spray-pyrolysis

Boehmite (gamma-AlOOH) synthesis have been investigated using a spray pyrolysis (SP) device starting from a stable sol of Al-tri-sec-butoxide peptized by nitric acid. Free spherical particles from 100 to 500 nm have been elaborated. Particles sub-structure is made of nano-crystalline boehmite with very small average crystallite size (one crystal cell along the b axis). The nano-crystalline boehmite synthesized by SP at low temperature (200 degrees C) is spontaneously dispersible in water without any surface treatment. Boehmite powder may be transformed to transition gamma-alumina by heat post-treatment. Powders of sub-micrometric and spherical gamma-alumina particles may also be synthesized by SP at 700 degrees C. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nano-displacement measurements of a new piezoelectric flextensional actuator by using a high dynamic range interferometry homodyne method

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Chemical Production and Microelectronic Applications of Graphene and Nano-Graphene Derivatives

Graphene and graphenic derivatives have rapidly emerged as an extremely promising system for electronic, optical, thermal, and electromechanical applications. Several approaches have been developed to produce these materials (i.e. scotch tape, CVD, chemical and solvent exfoliation). In this work we report a chemical approach to produce graphene by reducing graphene oxide (GO) via thermal or electrical methods. A morphological and electrical characterization of these systems has been performed using different techniques such as SPM, SEM, TEM, Raman and XPS. Moreover, we studied the interaction between graphene derivates and organic molecules focusing on the following aspects: - improvement of optical contrast of graphene on different substrates for rapid monolayer identification1 - supramolecular interaction with organic molecules (i.e. thiophene, pyrene etc.)4 - covalent functionalization with optically active molecules2 - preparation and characterization of organic/graphene Field Effect Transistors3-5 Graphene chemistry can potentially allow seamless integration of graphene technology in organic electronics devices to improve device performance and develop new applications for graphene-based materials. [1] E. Treossi, M. Melucci, A. Liscio, M. Gazzano, P. Samorì, and V. Palermo, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 15576. [2] M. Melucci, E. Treossi, L. Ortolani, G. Giambastiani, V. Morandi, P. Klar, C. Casiraghi, P. Samorì, and V. Palermo, J. Mater. Chem., 2010, 20, 9052. [3] J.M. Mativetsky, E. Treossi, E. Orgiu, M. Melucci, G.P. Veronese, P. Samorì, and V. Palermo, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 14130. [4] A. Liscio, G.P. Veronese, E. Treossi, F. Suriano, F. Rossella, V. Bellani, R. Rizzoli, P. Samorì and V. Palermo, J. Mater. Chem., 2011, 21, 2924. [5] J.M. Mativetsky, A. Liscio, E. Treossi, E. Orgiu, A. Zanelli, P. Samorì , V. Palermo, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 14320

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

The NutriChip project--translating technology into nutritional knowledge

Advances in food transformation have dramatically increased the diversity of products on the market and, consequently, exposed consumers to a complex spectrum of bioactive nutrients whose potential risks and benefits have mostly not been confidently demonstrated. Therefore, tools are needed to efficiently screen products for selected physiological properties before they enter the market. NutriChip is an interdisciplinary modular project funded by the Swiss programme Nano-Tera, which groups scientists from several areas of research with the aim of developing analytical strategies that will enable functional screening of foods. The project focuses on postprandial inflammatory stress, which potentially contributes to the development of chronic inflammatory diseases. The first module of the NutriChip project is composed of three in vitro biochemical steps that mimic the digestion process, intestinal absorption, and subsequent modulation of immune cells by the bioavailable nutrients. The second module is a miniaturised form of the first module (gut-on-a-chip) that integrates a microfluidic-based cell co-culture system and super-resolution imaging technologies to provide a physiologically relevant fluid flow environment and allows sensitive real-time analysis of the products screened in vitro. The third module aims at validating the in vitro screening model by assessing the nutritional properties of selected food products in humans. Because of the immunomodulatory properties of milk as well as its amenability to technological transformation, dairy products have been selected as model foods. The NutriChip project reflects the opening of food and nutrition sciences to state-of-the-art technologies, a key step in the translation of transdisciplinary knowledge into nutritional advice.

Implementation of porous silicon technology for a fluidic flow-through optical sensor for pH measurements

This work presents an innovative integration of sensing and nano-scaled fluidic actuation in the combination of pH sensitive optical dye immobilization with the electro-osmotic phenomena in polar solvents like water for flow-through pH measurements. These flow-through measurements are performed in a flow-through sensing device (FTSD) configuration that is designed and fabricated at MTU. A relatively novel and interesting material, through-wafer mesoporous silica substrates with pore diameters of 20 -200 nm and pore depths of 500 µm are fabricated and implemented for electro-osmotic pumping and flow-through fluorescence sensing for the first time. Performance characteristics of macroporous silicon (> 500 µm) implemented for electro-osmotic pumping include, a very large flow effciency of 19.8 µLmin-1V-1 cm-2 and maximum pressure effciency of 86.6 Pa/V in comparison to mesoporous silica membranes with 2.8 µLmin-1V-1cm-2 flow effciency and a 92 Pa/V pressure effciency. The electrical current (I) of the EOP system for 60 V applied voltage utilizing macroporous silicon membranes is 1.02 x 10-6A with a power consumption of 61.74 x 10-6 watts. Optical measurements on mesoporous silica are performed spectroscopically from 300 nm to 1000 nm using ellipsometry, which includes, angularly resolved transmission and angularly resolved reflection measurements that extend into the infrared regime. Refractive index (n) values for oxidized and un-oxidized mesoporous silicon sample at 1000 nm are found to be 1.36 and 1.66. Fluorescence results and characterization confirm the successful pH measurement from ratiometric techniques. The sensitivity measured for fluorescein in buffer solution is 0.51 a.u./pH compared to sensitivity of ~ 0.2 a.u./pH in the case of fluorescein in porous silica template. Porous silica membranes are efficient templates for immobilization of optical dyes and represent a promising method to increase sensitivity for small variations in chemical properties. The FTSD represents a device topology suitable for application to long term monitoring of lakes and reservoirs. Unique and important contributions from this work include fabrication of a through-wafer mesoporous silica membrane that has been thoroughly characterized optically using ellipsometry. Mesoporous silica membranes are tested as a porous media in an electro-osmotic pump for generating high pressure capacities due to the nanometer pore sizes of the porous media. Further, dye immobilized mesoporous silica membranes along with macroporous silicon substrates are implemented for continuous pH measurements using fluorescence changes in a flow-through sensing device configuration. This novel integration and demonstration is completely based on silicon and implemented for the first time and can lead to miniaturized flow-through sensing systems based on MEMS technologies.

Nano-imprinted rear-side diffraction gratings for absorption enhancement in solar cells

As wafer-based solar cells become thinner, light-trapping textures for absorption enhancement will gain in importance. In this work, crystalline silicon wafers were textured with wavelength-scale diffraction grating surface textures by nanoimprint lithography using interference lithography as a mastering technology. This technique allows fine-tailored nanostructures to be realized on large areas with high throughput. Solar cell precursors were fabricated, with the surface textures on the rear side, for optical absorption measurements. Large absorption enhancements are observed in the wavelength range in which the silicon wafer absorbs weakly. It is shown experimentally that bi-periodic crossed gratings perform better than uni-periodic linear gratings. Optical simulations have been made of the fabricated structures, allowing the total absorption to be decomposed into useful absorption in the silicon and parasitic absorption in the rear reflector. Using the calculated silicon absorption, promising absorbed photocurrent density enhancements have been calculated for solar cells employing the nano-textures. Finally, first results are presented of a passivation layer deposition technique that planarizes the rear reflector for the purpose of reducing the parasitic absorption.

Combined effects of cellulose nanocrystals and silver nanoparticles on the barrier and migration properties of PLA nano-biocomposites

Poly(lactic acid) (PLA)-based high performance nano-biocomposites were prepared to be used in active food packaging. Pristine (CNC) and surfactant modified cellulose nanocrystals (s-CNC) with silver (Ag) nanoparticles were used as the matrix modifiers. Binary and ternary systems were prepared. Morphological investigations revealed the good distribution of silver nanoparticles in PLA ternary systems. The combination of s-CNC and Ag nanoparticles increased the barrier effect of the produced films while the results of overall migration for the PLA nano-biocomposites revealed that none of the samples exceeded the overall migration limit, since results were well below 60 mg kg−1 of simulant.