Reactivity of sub 1 nm supported clusters: (TiO2)(n) clusters supported on rutile TiO2 (110)

Metal oxide clusters of sub-nm dimensions dispersed on a metal oxide support are an important class of catalytic materials for a number of key chemical reactions, showing enhanced reactivity over the corresponding bulk oxide. In this paper we present the results of a density functional theory study of small sub-nm TiO2 clusters, Ti2O4, Ti3O6 and Ti4O8 supported on the rutile (110) surface. We find that all three clusters adsorb strongly with adsorption energies ranging from -3 eV to -4.5 eV. The more stable adsorption structures show a larger number of new Ti-O bonds formed between the cluster and the surface. These new bonds increase the coordination of cluster Ti and O as well as surface oxygen, so that each has more neighbours. The electronic structure shows that the top of the valence band is made up of cluster derived states, while the conduction band is made up of Ti 3d states from the surface, resulting in a reduction of the effective band gap and spatial separation of electrons and holes after photon absorption, which shows their potential utility in photocatalysis. To examine reactivity, we study the formation of oxygen vacancies in the cluster-support system. The most stable oxygen vacancy sites on the cluster show formation energies that are significantly lower than in bulk TiO2, demonstrating the usefulness of this composite system for redox catalysis.

CO oxidation on Pd(100) and Pd(111): A comparative study of reaction pathways and reactivity at low and medium coverages

We have performed density functional theory calculations with the generalized gradient approximation to investigate CO oxidation on a close-packed transition metal surface, Pd(lll), and a more open surface, Pd(100), aiming to shed light on surface structure effects on reaction pathways and reactivity, an important issue in catalysis. Reaction pathways on both surfaces at two different coverages have been studied. It is found that the reaction pathways on both surfaces possess crucial common features despite the fact that they have different surface symmetries. Having determined reaction barriers in these systems, we find that the reaction on Pd(lll) is strongly coverage dependent. Surface coverages, however, have little effect on the reaction on Pd(100). Calculations also reveal that the low coverage reactions are structure sensitive while the medium coverage reactions are not. Detailed discussions on these results are given.

Deposit-feeding mechanisms and resource partitioning in tropical holothurians

Aspidochirote holothurians found on tropical reef flats feed on particulate deposits which form a variety of substrata. The synaptid holothurian Opheodesoma grisea (Semper) feeds in a similar manner by scraping deposits from the surfaces of sea grasses. Distributional and gut content analyses showed that species partitioning is on the basis of substratum and particle size preference. Scanning electron microscopy revealed that the tentacles of aspidochirotes have a nodular surface while those of O. grisea have a tessellated surface structure. The twelve different species examined were shown to have different tentacular surface textures which bore an apparent relationship with the mean particle sizes selected by the different species. Light microscope studies of tentacle sections confirmed earlier observations on the extent of the water vascular system in aspidochirote and pinnate tentacles. From these observations a functional interpretation is proposed for tentacular operation and the means of particle selection in such holothurians.

Immunochemical characterization of a polysaccharide antigen of Bacteroides fragilis with an IgM monoclonal antibody

An IgM mouse monoclonal antibody (McAb) Bf4 was produced to a surface polysaccharide of Bacteroides fragilis NCTC 9343. Immunoblotting showed that McAb Bf4 reacted strongly with a high molecular mass structure which was sensitive to oxidation with periodate but resisted protease treatment. An inhibition enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) indicated that McAb Bf4 did not cross react with the sixteen Bacteroides species and strains tested. Cells of B. fragilis NCTC 9343 recovered from the various interfaces of a Percoll discontinuous density gradient were tested in the inhibition ELISA. Bacteria from the 0-20%, 20-40% and 40-60% interfaces inhibited the ELISA; however, cells from the 60-80% interface did not. Electron microscopy with immunogold labelling showed that McAb Bf4 did not react with the extracellular fibrous network on bacteria recovered from the 0-20% interface, or the extracellular electron dense layer on cells from the 60-80% interface; however, it was associated with a surface structure on cells from the 20-40% interface. Growth in vivo did not enrich for bacteria with this structure.

Antigen-specific IgA and IgG responses in calves inoculated intranasally with ovalbumin encapsulated in poly(DL-lactide-co-glycolide) microspheres

The immunogenicity of proteins encapsulated in poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLG) microspheres has not been investigated to any extent in large animal models. In this study, IgG and IgA responses to ovalbumin (OVA), encapsulated in microspheres was investigated following intranasal inoculation into calves. Scanning electron microscopy and flow cytometric analysis demonstrated a uniform microsphere population with a diameter of <2.5 micrometers. Ovalbumin was released steadily from particles stored in PBS almost in a linear fashion, and after 4 weeks many particles showed cracks and fissures in their surface structure. Following intranasal inoculation of calves with different doses of encapsulated antigen, mean levels of ovalbumin-specific IgA were observed to increase steadily but significant differences in IgA levels (from the pre-inoculation level) were only observed following a second intranasal inoculation. With 0.5 and 1.0mg doses of antigen, ovalbumin-specific IgG was also detected in serum. Ovalbumin-specific IgA persisted in nasal secretions for a considerable period of time and were still detectable in four out of seven animals, 6 months after inoculation.

Significance of β-dehydrogenation in ethanol electro-oxidation on platinum doped with Ru, Rh, Pd, Os and Ir

In the exploration of highly efficient direct ethanol fuel cells (DEFCs), how to promote the CO₂ selectivity is a key issue which remains to be solved. Some advances have been made, for example, using bimetallic electrocatalysts, Rh has been found to be an efficient additive to platinum to obtain high CO₂ selectivity experimentally. In this work, the mechanism of ethanol electrooxidation is investigated using first principles method. It is found that CH₃CHOH* is the key intermediate during ethanol electrooxidation and the activity of β-dehydrogenation is the rate determining factor that affects the completeness of ethanol oxidation. In addition, a series of transition metals (Ru, Rh, Pd, Os and Ir) are alloyed on the top layer of Pt(111) in order to analyze their effects. The elementary steps, α-, β-C-H bond and C-C bond dissociations are calculated on these bimetallic M/Pt(111) surfaces and the formation potential of OH* from water dissociation is also calculated. We find that the active metals increase the activity of β-dehydrogenation but lower the OH* formation potential resulting in the active site being blocked. By considering both β-dehydrogenation and OH* formation, Ru, Os and Ir are identified to be unsuitable for the promotion of CO₂ selectivity and only Rh is able to increase the selectivity of CO₂ in DEFCs.

Enhancement of Wear and Corrosion Resistance of Beta Titanium Alloy by Laser Gas Alloying with Nitrogen

The relatively high elastic modulus coupled with the presence of toxic vanadium (V) in Ti6Al4 V alloy has long been a concern in orthopaedic applications. To solve the problem, a variety of non-toxic and low modulus beta-titanium (beta-Ti) alloys have been developed. Among the beta-Ti alloy family, the quaternary Ti-Nb-Zr-Ta (TNZT) alloys have received the highest attention as a promising replacement for Ti6Al4 V due to their lower elastic modulus and outstanding long term stability against corrosion in biological environments. However, the inferior wear resistance of TNZT is still a problem that must be resolved before commercialising in the orthopaedic market. In this work, a newly-developed laser surface treatment technique was employed to improve the surface properties of Ti-35.3Nb-7.3Zr-5.7Ta alloy. The surface structure and composition of the laser-treated TNZT surface were examined by grazing incidence x-ray diffraction (GI-XRD) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The wear and corrosion resistance were evaluated by pin-on-plate sliding test and anodic polarisation test in Hanks’ solution. The experimental results were compared with the untreated (or base) TNZT material. The research findings showed that the laser surface treatment technique reported in this work can effectively improve the wear and corrosion resistance of TNZT.

Bacterial peptidoglycan biosynthesis and recognition by the innate immune system

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Perception de la vitesse : les bases psychophysiques et neuronales

David Katz a fait l’observation que le mouvement entre la peau et l’objet est aussi important pour le sens du toucher que la lumière l’est pour la vision. Un stimulus tactile déplacé sur la peau active toutes les afférences cutanées. Les signaux résultants sont très complexes, covariant avec différents facteurs dont la vitesse, mais aussi la texture, la forme et la force. Cette thèse explore la capacité des humains à estimer la vitesse et la rugosité de surfaces en mouvements. Les bases neuronales de la vitesse tactile sont aussi étudiées en effectuant des enregistrements unitaires dans le cortex somatosensoriel primaire (S1) du singe éveillé. Dans la première expérience, nous avons montré que les sujets peuvent estimer la vitesse tactile (gamme de vitesses, 30 à 105 mm/s) de surfaces déplacées sous le doigt, et ceci sans indice de durée. Mais la structure des surfaces était essentielle (difficulté à estimer la vitesse d’une surface lisse). Les caractéristiques physiques des surfaces avaient une influence sur l’intensité subjective de la vitesse. La surface plus rugueuse (8 mm d’espacement entre les points en relief) semblait se déplacer 15% plus lentement que les surfaces moins rugueuses (de 2 et 3 mm d’espacement), pour les surfaces périodiques et non périodiques (rangées de points vs disposition aléatoire). L’effet de la texture sur la vitesse peut être réduit en un continuum monotonique quand les estimés sont normalisés avec l’espacement et présentés en fonction de la fréquence temporelle (vitesse/espacement). L'absence de changement des estimés de vitesse entre les surfaces périodiques et non périodiques suggère que les estimés de rugosité devraient aussi être indépendants de la disposition des points. Dans la deuxième expérience, et tel que prévu, une équivalence perceptuelle entre les deux séries de surfaces est obtenue quand les estimés de la rugosité sont exprimés en fonction de l'espacement moyen entre les points en relief, dans le sens de l'exploration. La troisième expérience consistait à rechercher des neurones du S1 qui pourraient expliquer l’intensité subjective de la vitesse tactile. L’hypothèse est que les neurones impliqués devraient être sensibles à la vitesse tactile (40 à 105 mm/s) et à l’espacement des points (2 à 8 mm) mais être indépendants de leur disposition (périodique vs non périodique). De plus, il est attendu que la fonction neurométrique (fréquence de décharge/espacement en fonction de la fréquence temporelle) montre une augmentation monotonique. Une grande proportion des cellules était sensible à la vitesse (76/119), et 82% d’entres elles étaient aussi sensibles à la texture. La sensibilité à la vitesse a été observée dans les trois aires du S1 (3b, 1 et 2). La grande majorité de cellules sensibles à la vitesse, 94%, avait une relation monotonique entre leur décharge et la fréquence temporelle, tel qu’attendu, et ce surtout dans les aires 1 et 2. Ces neurones pourraient donc expliquer la capacité des sujets à estimer la vitesse tactile de surfaces texturées.

Zur Erfassung von form- und materialbedingten Oberflächenstrukturen mit Mikro-Deflexions-Ellipsometrie

Die vorliegende Arbeit berichtet über ein neuartiges, kombiniertes Messverfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Form und Material einer glänzenden Probenoberfläche. Die Materialerkennung erfolgt über die polarisationsoptische Brechzahlbestimmung im Messpunkt mit Mikroellipsometrie. Die Mikroellipsometrie ist ein fokussierendes Ellipsometer, das aus der Polarisationsänderung, bedingt durch die Wechselwirkung Licht – Materie, die materialcharakteristische komplexe Brechzahl eines reflektierenden Materials ermitteln kann. Bei der fokussierenden Ellipsometrie ist die Anordnung der fokussierenden Optiken von Bedeutung. Die hier vorgestellte ellipsometerexterne Fokussierung vermeidet Messfehler durch optische Anisotropien und ermöglicht die multispektrale ellipsometrische Messung. Für die ellipsometrische Brechzahlbestimmung ist zwingend die Kenntnis des Einfallswinkels des Messstrahls und die räumliche Orientierung der Oberflächenneigung zum Koordinatensystem des Ellipsometers notwendig. Die Oberflächenneigung wird mit einem Deflektometer ermittelt, das speziell für den Einsatz in Kombination mit der Ellipsometrie entwickelt wurde. Aus der lokalen Oberflächenneigung kann die Topographie einer Probe rekonstruiert werden. Der Einfallswinkel ist ebenfalls aus den Oberflächenneigungen ableitbar. Die Arbeit stellt die Systemtheorie der beiden kombinierten Messverfahren vor, außerdem werden Beiträge zu Messunsicherheiten diskutiert. Der experimentelle Teil der Arbeit beinhaltet die separate Untersuchung zur Leistungsfähigkeit der beiden zu kombinierenden Messverfahren. Die experimentellen Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ein Mikro-Deflexions-Ellipsometer erfolgreich realisierbar ist.

Biofilmbildung bei Pflanzen-assoziierten Bakterien der Gattung Methylobacterium und molekulargenetisch-physiologische Charakterisierung eines neuen Marchantia-Isolats (Mtb. sp. JT1)

Bakterien existieren bevorzugt in Biofilmen. Das Zusammenleben in diesen Gemeinschaften bietet den einzelnen Mikroben einen wirksamen Schutz und ermöglicht die Ausbildung langfristiger, synergistischer Wechselwirkungen, die mit multizellulären Systemen verglichen werden können. Biofilme bestehen aus Mikrooganismen-Populationen, die sich an Grenzflächen ansammeln und typischerweise von einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen umgeben sind. Auch auf Pflanzen-Oberflächen bilden viele Bakterien Biofilme, um ihre Überlebenswahrscheinlichkeit zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde die Biofilmbildung bei Pflanzen-assoziierten Bakterien der Gattung Methylobacterium (Mtb.) untersucht, wobei molekular- und mikrobiologische sowie mikroskopische Techniken eingesetzt wurden. Es zeigte sich, dass alle untersuchten Vertreter der Gattung Methylobacterium in unterschiedlichem Ausmaß Biofilme bilden. Die Ausprägung ist dabei Taxon (bzw. Isolat)-spezifisch und vor allem von der Stickstoff-Verfügbarkeit abhängig. Jedoch spielen auch andere Umweltfaktoren, wie die Versorgung der Zellen mit Phosphat und die Zelldichte, bei der Ausbildung der überzellulären Einheiten eine wichtige Rolle. Die Matrix der Biofilme wird meist durch ein fibrilläres Netzwerk gebildet. Dabei handelt es sich um Heteropolysaccharide, die von den Bakterien synthetisiert und sezerniert werden. Einige Isolate bilden zusätzlich zahlreiche Fimbrien (Auswüchse), durch die sie an andere Zellen oder Oberflächen binden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden mehrere neue Methylobacterium-Isolate physiologisch und molekulargenetisch charakterisiert (Nährstoffverwertung, DNA-Sequenzen verschiedener Gene, phylogenetische Analysen usw.). Im Vordergrund stand hierbei der von einer urtümlichen Landpflanze, dem Lebermoos (Marchantia polymorpha), isolierte Stamm Mtb. sp. JT1. Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede in der Morphologie und Physiologie des Bakterienstamms JT1 und dem nahe verwandten Stamm 5b.2.20 zu den bereits beschriebenen Taxa der Gattung, so dass eine Spezies-Neubeschreibung erforderlich war. Als Artname wurde aufgrund der außergewöhnlichen Oberflächenstrukturen Mtb. fimbriae sp. nov. eingeführt. Auch andere Methylobakterien (unter anderem Isolat Mtb. sp. F3.2, isoliert vom Laubmoos Funaria hygrometrica) stellen wahrscheinlich Vertreter einer neue Spezies dar (Artname Mtb. funariae sp. nov.). Jedoch zeigen Mtb. fimbriae und Mtb. funariae nur geringe physiologische und morphologische Unterschiede und konnten auf Grundlage umfassender DNA-DNA-Hybridisierungs-Studien nicht eindeutig voneinander abgegrenzt werden.

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.

Comprehension of wh-questions and declarative sentences in agrammatic aphasia: the set partition hypothesis

Problematic trace-antecedent relations between deep and surface structure have been a dominant theme in sentence comprehension in agrammatism. We challenge this view and propose that the comprehension in agrammatism in declarative sentences and wh-questions stems from impaired processing in logical form. We present new data from wh-questions and declarative sentences and advance a new hypothesis which we call the set partition hypothesis. We argue that elements that signal set partition operations influence sentence comprehension while trace-antecedent relations remain intact. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Highly proton-ordered water structures on oxygen precovered Ru{0001}

We present helium scattering measurements of a water ad-layer grown on a O(2 1)/Ru(0001) surface. The adsorbed water layer results in a well ordered helium diffraction pattern with systematic extinctions of diffraction spots due to glide line symmetries. The data reflects a well-defined surface structure that maintains proton order even at surprisingly high temperatures of 140 K. The diffraction data we measure is consistent with a structure recently derived from STM measurements performed at 6 K. Comparison with recent DFT calculation is in partial agreement, suggesting that these calculations might be underestimating the contribution of relative water molecule orientations to the binding energy.

Assessing the microbial oxidative stress mechanism of ozone treatment through the responses of Escherichia coli mutants

Aims: To investigate the effect of the oxidative stress of ozone on the microbial inactivation, cell membrane integrity and permeability and morphology changes of Escherichia coli. Methods and Results: Escherichia coli BW 25113 and its isogenic mutants in soxR, soxS, oxyR, rpoS and dnaK genes were treated with ozone at a concentration of 6 lg ml)1 for a period up to 240 s. A significant effect of ozone exposure on microbial inactivation was observed. After ozonation, minor effects on the cell membrane integrity and permeability were observed, while scanning electron microscopy analysis showed slightly altered cell surface structure. Conclusions: The results of this study suggest that cell lysis was not the major mechanism of microbial inactivation. The deletion of oxidative stress–related genes resulted in increased susceptibility of E. coli cells to ozone treatment, implying that they play an important role for protection against the radicals produced by ozone. However, DnaK that has previously been shown to protect against oxidative stress did not protect against ozone treatment in this study. Furthermore, RpoS was important for the survival against ozone. Significance and Impact of the Study: This study provides important information about the role of oxidative stress in the responses of E. coli during ozonation.