Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).

Investigations on The Finite Size Effects of Some Inverse Spinels and Studies on Their Composites Based on Nitrile Rubber

Magnetism and magnetic materials have been an ever-attractive subject area for engineers and scientists alike because of its versatility in finding applications in useful devices. They find applications in a host of devices ranging from rudimentary devices like loud speakers to sophisticated gadgets like waveguides and Magnetic Random Access Memories (MRAM).The one and only material in the realm of magnetism that has been at the centre stage of applications is ferrites and in that spinel ferrites received the lions share as far as practical applications are concerned.It has been the endeavour of scientists and engineers to remove obsolescence and improve upon the existing so as to save energy and integrate in to various other systems. This has been the hallmark of material scientists and this has led to new materials and new technologies.In the field of ferrites too there has been considerable interest to devise new materials based on iron oxides and other compounds. This means synthesising ultra fine particles and tuning its properties to device new materials. There are various preparation techniques ranging from top- down to bottom-up approaches. This includes synthesising at molecular level, self assembling,gas based condensation. Iow temperature eo-precipitation, solgel process and high energy ball milling. Among these methods sol-gel process allows good control of the properties of ceramic materials. The advantage of this method includes processing at low temperature. mixing at the molecular level and fabrication of novel materials for various devices.Composites are materials. which combine the good qualities of one or more components. They can be prepared in situ or by mechanical means by the incorporation of fine particles in appropriate matrixes. The size of the magnetic powders as well as the nature of matrix affect the processability and other physical properties of the final product. These plastic/rubber magnets can in turn be useful for various applications in different devices. In applications involving ferrites at high frequencies, it is essential that the material possesses an appropriate dielectric permittivity and suitable magnetic permeability. This can be achieved by synthesizing rubber ferrite composites (RFC's). RFCs are very useful materials for microwave absorptions. Hence the synthesis of ferrites in the nanoregirne.investigations on their size effects on the structural, magnetic, and electrical properties and the incorporation of these ferrites into polymer matrixes assume significance.In the present study, nano particles of NiFe204, Li(!5Fe2S04 and Col-e-O, are prepared by sol gel method. By appropriate heat treatments, particles of different grain sizes are obtained. The structural, magnetic and electrical measurements are evaluated as a function of grain size and temperature. NiFel04 prepared in the ultrafine regime are then incorporated in nitrile rubber matrix. The incorporation was carried out according to a specific recipe and for various loadings of magnetic fillers. The cure characteristics, magnetic properties, electrical properties and mechanical properties of these elastomer blends are carried out. The electrical permittivity of all the rubber samples in the X - band are also conducted.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.

Enhanced Templating in the Crystallisation of Poly(E-caprolactone) Using 1,3:2,4-di(4-Chlorobenzylidene) Sorbitol

We show that small quantities of 1,3:2,4-di(4-chlorobenzylidene) sorbitol dispersed in poly(epsilon-caprolactone) provide a very effective self-assembling nanoscale framework which, with a flow field, yields extremely high levels of polymer crystal orientation. During modest shear flow of the polymer melt, the additive forms highly extended nano-particles which adopt a preferred alignment with respect to the flow field. On cooling, polymer crystallisation is directed by these particles. This chloro substituted dibenzylidene sorbitol is considerably more effective at directing the crystal growth of poly(epsilon-caprolactone) than the unsubstituted compound.

Can a consecutive double turn conformation be considered as a peptide based molecular scaffold for supramolecular helix in the solid state?

Helices and sheets are ubiquitous in nature. However, there are also some examples of self-assembling molecules forming supramolecular helices and sheets in unnatural systems. Unlike supramolecular sheets there are a very few examples of peptide sub-units that can be used to construct supramolecular helical architectures using the backbone hydrogen bonding functionalities of peptides. In this report we describe the design and synthesis of two single turn/bend forming peptides (Boc-Phe-Aib-Ile-OMe 1 and Boc-Ala-Leu-Aib-OMe 2) (Aib: alpha-aminoisobutyric acid) and a series of double-turn forming peptides (Boc-Phe-Aib-IIe-Aib-OMe 3, Boc-Leu-Aib-Gly-Aib-OMe 4 and Boc-gamma-Abu-Aib-Leu-Aib-OMe 5) (gamma-Abu: gamma-aminobutyric acid). It has been found that, in crystals, on self-assembly, single turn/bend forming peptides form either a supramolecular sheet (peptide 1) or a supramolecular helix (peptide 2). unlike self-associating double turn forming peptides, which have only the option of forming supramolecular helical assemblages. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Dipeptide nanotubes, with n-terminally located omega-amino acid residues, that are stable proteolytically, thermally, and over a wide range of pH

Two dipeptides containing an N-terminally positioned omega-amino acid residue (beta-alanine/delta-amino valeric acid) self-assembles to form nanotubes in the solid state as well as in aqueous solution. In spite of having hollow nanotubular structures in the solid state and in solution, their self-assembling nature in these two states are different and this leads to the formation of different internal diameters of these nanotubes in solution and in solid state structure. These nanotubes are stable proteolytically, thermally, and over a wide range of pH values (1-13). The role of water molecules in nanotube formation has been investigated in the solid state. These nanotubes can be considered as a new class of dipeptide nanotubes as they are consisting of N-terminally located protease resistant omega-amino acid residues and C-terminally positioned alpha-amino acid residues. These dipeptides can form an interesting class of short peptidic structure that can give rise to stable nanotubular structure upon self-assembly and these nanotubes can be explored in future for potential nanotechnological applications.

A method of synthesis of silicious inorganic ordered materials (MCM-41-SBA-1) employing polyacrylic acid-C(n)TAB-TEOS nanoassemblies

In this work we describe the synthesis of a variety of MCM-41 type hexagonal and SBA-1 type cubic mesostructures and mesoporous silicious materials employing a novel synthesis concept based on polyacrylic acid (Pac)-C(n)TAB complexes as backbones of the developing structures. The ordered porosity of the solids was established by XRD and TEM techniques. The synthesis concept makes use of Pac-C(n)TAB nanoassemblies as a preformed scaffold, formed by the gradual increase of pH. On this starting matrix the inorganic precursor species SiO2 precipitate via hydrolysis of TEOS under the influence of increasing pH. The molecular weight (MW) of Pac, as well as the length of carbon chain in C,TAB, determine the physical and structural characteristics of the obtained materials. Longer chain surfactants (C(16)TAB) lead to the formation of hexagonal phase, while shorter chain surfactants (C(14)TAB, C(12)TAB) favor the SBA-1 phase. Lower MW of Pac (approximate to2000) leads to better-organized structures compared to higher MW ( 450,000), which leads to worm-like mesostructures. Cell parameters and pore size increase with increasing polyelectrolyte and/or surfactant chain, while at the same time SEM photography reveals that the particle size decreases. Conductivity experiments provide some insight into the proposed self-assembling pathway. (C) 2003 Elsevier Inc. All rights reserved.

Developments in block copolymer science and technology

Focuses on recent advances in research on block copolymers, covering chemistry (synthesis), physics (phase behaviors, rheology, modeling), and applications (melts and solutions). Written by a team of internationally respected scientists from industry and academia, this text compiles and reviews the expanse of research that has taken place over the last five years into one accessible resource. Ian Hamley is the world-leading scientist in the field of block copolymer research Presents the recent advances in the area, covering chemistry, physics and applications. Provides a broad coverage from synthesis to fundamental physics through to applications Examines the potential of block copolymers in nanotechnology as self-assembling soft materials

Application of interpolymer complexation to coat solid and soft surfaces

Water-soluble polymers are often capable of forming interpolymer complexes in solutions and at interfaces, which offers an excellent opportunity for surface modification. The complex formation may be driven by H-bonding between poly(carboxylic acids) and non-ionic polymers or by electrostatic attraction between oppositely-charged polyelectrolytes. In the present communication the following applications of interpolymer complexation in coating technologies will be considered: (1) Complexation between poly(acrylic acid) and non-ionic polymers via H-bonding was used to coat glass surfaces. It was realised using layer-by-layer deposition of IPC on glass surfaces with subsequent cross-linking of dry multilayers by thermal treatment. Depending on the glass surface functionality this complexation resulted in detachable and non-detachable hydrogel films; (2) Electrostatic layer-by-layer self-assembly between glycol chitosan and bovine serum albumin (BSA) was used to coat magnetic nanoparticles. It was demonstrated that the native structure of BSA remains unaffected by the self-assembling process.

Supra-molecular assembly of a lumican-derived peptide amphiphile enhances its collagen-stimulating activity

C16-YEALRVANEVTLN, a peptide amphiphile (PA) incorporating a biologically active amino acid sequence found in lumican, has been examined for its influence upon collagen synthesis by human corneal fibroblasts in vitro, and the roles of supra-molecular assembly and activin receptor-like kinase ALK receptor signaling in this effect were assessed. Cell viability was monitored using the Alamar blue assay, and collagen synthesis was assessed using Sirius red. The role of ALK signaling was studied by receptor inhibition. Cultured human corneal fibroblasts synthesized significantly greater amounts of collagen in the presence of the PA over both 7-day and 21-day periods. The aggregation of the PA to form nanotapes resulted in a notable enhancement in this activity, with an approximately two-fold increase in collagen production per cell. This increase was reduced by the addition of an ALK inhibitor. The data presented reveal a stimulatory effect upon collagen synthesis by the primary cells of the corneal stroma, and demonstrate a direct influence of supra-molecular assembly of the PA upon the cellular response observed. The effects of PA upon fibroblasts were dependent upon ALK receptor function. These findings elucidate the role of self-assembled nanostructures in the biological activity of peptide amphiphiles, and support the potential use of a self-assembling lumican derived PA as a novel biomaterial, intended to promote collagen deposition for wound repair and tissue engineering purposes

3D printing of biocompatible supramolecular polymers and their composites

A series of polymers capable of self-assembling into infinite networks via supramolecular interactions have been designed, synthesized, and characterized for use in 3D printing applications. The biocompatible polymers and their composites with silica nanoparticles were successfully utilized to deposit both simple cubic structures, as well as a more complex twisted pyramidal feature. The polymers were found to be not toxic to a chondrogenic cell line, according to ISO 10993-5 and 10993-12 standard tests and the cells attached to the supramolecular polymers as demonstrated by confocal microscopy. Silica nanoparticles were then dispersed within the polymer matrix, yielding a composite material which was optimized for inkjet printing. The hybrid material showed promise in preliminary tests to facilitate the 3D deposition of a more complex structure.

Vitellin-binding proteins in the nematode Oscheius tipulae (Nematoda, Rhabditida)

We describe the first application of a non-radioactive ligand-blotting technique to the characterization of proteins interacting with nematode vitellins. Chromatographically purified vitellins from the free-living nematode Oscheius tipulae were labeled with fluorescein in vitro. Ligand-blotting assays with horseradish peroxidase-conjugated anti-fluorescein antibodies showed that labeled vitellins reacted specifically with a polypeptide of approximately 100 kDa, which we named P100. This polypeptide is a specific worm`s vitellin-binding protein that is present only in adult worms. Blots containing purified O. tipulae vitellin preparations showed no detectable signal in the 100 kDa region, ruling out any possibility of yolk polypeptides self-assembling under the conditions used in our assay. Experiments done in the presence of alpha-methyl mannoside ruled out the possibility of vitellins binding to P100 through mannose residues. Triton X-114 fractionation of whole worm extracts showed that P100 is either a membrane protein or has highly hydrophobic regions. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Langmuir Films of Petroleum at the Air-Water Interface

Understanding the behavior of petroleum films at the air/water interface is crucial for dealing with oil sticks and reducing the damages to the environment, which has normally been attempted with studies of Langmuir films made of fractions of petroleum. However, the properties of films from whole petroleum samples may differ considerably from those of individual fractions, Using surface pressure and surface potential measurements and Brewster angle and fluorescence microscopy, we show that petroleum forms it nonhomogeneous Langmuir film at the air-water interface. The surface pressure isotherms for petroleum Langmuir films exhibit gas (G), liquid-expanded (LE), and liquid-condensed phases, with almost no hysteresis in the compression-decompression cycles. Domains formed upon compression from the G to the LE phase were accompanied by an increase in fluorescence intensity with excitation at 400-440 nm owing to an increase in the surface density of the chromophores in the petroleum film. The surface pressure and the fluorescence microscopy data pointed to self-assembling domains into a pseudophase in thermo-dynamic equilibrium with other less emitting petroleum components. This hypothesis was supported by Brewster angle microscopy images, whereby the appearance of water domains even at high surface pressures confirms the tendency of petroleum to stabilize emulsion systems. The results presented here suggest that, for understanding the interaction with water, it may be more appropriate to use the whole petroleum samples rather than its fractions.

Monomolecular films of cholesterol oxidase and S-Layer proteins

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)