Anisotropic growth of oxide nanocrystals: Insights into the rutile TiO2 phase

In this work, we report the synthesis of titanium oxide nanocrystals, especially the rutile TiO2 phase with nanorod morphology, by a method based on peroxotitanium complex decomposition. The results indicate that the anisotropic morphology reported for rutile TiO2 nanocrystals is related to the oriented attachment process. Despite the predominance of rutile nanocrystals at longer treatment times, the nanocrystals were obtained also in the anatase type, according to the degradation time adopted. XANES results evidenced the absence of structural correlation between the peroxytitanium complex and phase evolution, and the coexistence of the two phases strongly suggests a correlation of the oriented attachment mechanism and the rutile phase stabilization.

Synthesis, Characterization, Anisotropic Growth and Photoluminescence of BaWO4

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Elemental Anisotropic Growth and Atomic-Scale Structure of Shape-Controlled Octahedral Pt–Ni–Co Alloy Nanocatalysts

Multimetallic shape-controlled nanoparticles offer great opportunities to tune the activity, selectivity, and stability of electrocatalytic surface reactions. However, in many cases, our synthetic control over particle size, composition, and shape is limited requiring trial and error. Deeper atomic-scale insight in the particle formation process would enable more rational syntheses. Here we exemplify this using a family of trimetallic PtNiCo nanooctahedra obtained via a low-temperature, surfactant-free solvothermal synthesis. We analyze the competition between Ni and Co precursors under coreduction “one-step” conditions when the Ni reduction rates prevailed. To tune the Co reduction rate and final content, we develop a “two-step” route and track the evolution of the composition and morphology of the particles at the atomic scale. To achieve this, scanning transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray elemental mapping techniques are used. We provide evidence of a heterogeneous element distribution caused by element-specific anisotropic growth and create octahedral nanoparticles with tailored atomic composition like Pt1.5M, PtM, and PtM1.5 (M = Ni + Co). These trimetallic electrocatalysts have been tested toward the oxygen reduction reaction (ORR), showing a greatly enhanced mass activity related to commercial Pt/C and less activity loss than binary PtNi and PtCo after 4000 potential cycles.

A linear-elastic model of anisotropic tumour growth

This paper examines the effect of anisotropic growth on the evolution of mechanical stresses in a linear-elastic model of a growing, avascular tumour. This represents an important improvement on previous linear-elastic models of tissue growth since it has been shown recently that spatially-varying isotropic growth of linear-elastic tissues does not afford the necessary stress-relaxation for a steady-state stress distribution upon reaching a nutrient-regulated equilibrium size. Time-dependent numerical solutions are developed using a Lax-Wendroff scheme, which show the evolution of the tissue stress distributions over a period of growth until a steady-state is reached. These results are compared with the steady-state solutions predicted by the model equations, and key parameters influencing these steady-state distributions are identified. Recommendations for further extensions and applications of this model are proposed.

Actin cytoskeleton regulates pollen tube growth and tropism

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.

Monte Carlo Study of the Growth of L12 ordered domains in fcc A3B binary alloys

A Monte Carlo study of the late time growth of L12-ordered domains in a fcc A3B binary alloy is presented. The energy of the alloy has been modeled by a nearest-neighbor interaction Ising Hamiltonian. The system exhibits a fourfold degenerated ground state and two kinds of interfaces separating ordered domains: flat and curved antiphase boundaries. Two different dynamics are used in the simulations: the standard atom-atom exchange mechanism and the more realistic vacancy-atom exchange mechanism. The results obtained by both methods are compared. In particular we study the time evolution of the excess energy, the structure factor and the mean distance between walls. In the case of atom-atom exchange mechanism anisotropic growth has been found: two characteristic lengths are needed in order to describe the evolution. Contrarily, with the vacancyatom exchange mechanism scaling with a single length holds. Results are contrasted with existing experiments in Cu3Au and theories for anisotropic growth.

Elliptical dust growth in astrophysical plasmas

Elongated dust grains exist in astrophysical plasmas. Anisotropic growth of elliptical dust grains, via plasma deposition, occurs if the deposited ions are non-inertial. In reality the extent of such growth depends upon the initial kinetic energy of the ions and the magnitude of the electric field in the sheath. Simulations of the dynamics of the ions in the sheath are reported, showing how elliptical growth is related to the initial eccentricity and size of the seed relative to the sheath length. Consequences for the eventual fate of elliptical dust are then discussed.

Anisotropic Assembly of Colloidal Nanoparticles: Exploiting Substrate Crystallinity

We show that the crystal structure of a substrate can be exploited to drive the anisotropic assembly of colloidal nanoparticles. Pentanethiol-passivated Au particles of approximately 2 nm diameter deposited from toluene onto hydrogen-passivated Si(111) surfaces form linear assemblies (rods) with a narrow width distribution. The rod orientations mirror the substrate symmetry, with a high degree of alignment along principal crystallographic axes of the Si(111) surface. There is a strong preference for anisotropic growth with rod widths substantially more tightly distributed than lengths. Entropic trapping of nanoparticles provides a plausible explanation for the formation of the anisotropic assemblies we observe.

Modelling of some biological materials using continuum mechanics

Continuum mechanics provides a mathematical framework for modelling the physical stresses experienced by a material. Recent studies show that physical stresses play an important role in a wide variety of biological processes, including dermal wound healing, soft tissue growth and morphogenesis. Thus, continuum mechanics is a useful mathematical tool for modelling a range of biological phenomena. Unfortunately, classical continuum mechanics is of limited use in biomechanical problems. As cells refashion the �bres that make up a soft tissue, they sometimes alter the tissue's fundamental mechanical structure. Advanced mathematical techniques are needed in order to accurately describe this sort of biological `plasticity'. A number of such techniques have been proposed by previous researchers. However, models that incorporate biological plasticity tend to be very complicated. Furthermore, these models are often di�cult to apply and/or interpret, making them of limited practical use. One alternative approach is to ignore biological plasticity and use classical continuum mechanics. For example, most mechanochemical models of dermal wound healing assume that the skin behaves as a linear viscoelastic solid. Our analysis indicates that this assumption leads to physically unrealistic results. In this thesis we present a novel and practical approach to modelling biological plasticity. Our principal aim is to combine the simplicity of classical linear models with the sophistication of plasticity theory. To achieve this, we perform a careful mathematical analysis of the concept of a `zero stress state'. This leads us to a formal de�nition of strain that is appropriate for materials that undergo internal remodelling. Next, we consider the evolution of the zero stress state over time. We develop a novel theory of `morphoelasticity' that can be used to describe how the zero stress state changes in response to growth and remodelling. Importantly, our work yields an intuitive and internally consistent way of modelling anisotropic growth. Furthermore, we are able to use our theory of morphoelasticity to develop evolution equations for elastic strain. We also present some applications of our theory. For example, we show that morphoelasticity can be used to obtain a constitutive law for a Maxwell viscoelastic uid that is valid at large deformation gradients. Similarly, we analyse a morphoelastic model of the stress-dependent growth of a tumour spheroid. This work leads to the prediction that a tumour spheroid will always be in a state of radial compression and circumferential tension. Finally, we conclude by presenting a novel mechanochemical model of dermal wound healing that takes into account the plasticity of the healing skin.

Morphology control of nanoscale PbS particles in a polyol process

Nanostructured PbS with different morphologies and particle sizes have been prepared through a polyol process. Narrow size distribution for star-shaped, octahedral, tetradecanehedral, and cubic products were achieved by slowly introducing the source materials using a peristaltic pump in the presence of poly(vinylpyrrolidone) (PVP) as additive. Systematic variation of the kinetic factors, including the additive, the reaction temperature, the duration time, the ratio of source materials, the Sulfur sources, and the Pb(Ac)(2)center dot 3H(2)O concentration, reveals that the morphology depends mainly on the supersaturation degree of the free sulfur ions released from thiourea under elevated temperature.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Biological Routes to Gold Nanoplates

Much effort has been devoted to the synthesis of gold nanoparticles with different shapes, including the zero-dimensional nanospheres, one dimensional nanorods, and two-dimensional nanoplates. Compared to zero or one dimensional nanostructures, the synthesis of two-dimensional nanostructures in high yield has always been more involved, often requiring complex and time-consuming steps such as morphology transformation from the nanospheres, or the seeded growth process. Herein we report a high yield method for gold nanoplate synthesis using the extract of unicellular green alga Chlorella vulgaris, which can be carried out under ambient conditions. More than 90% of the total nanoparticle population is of the platelet morphology, surpassing the previously reported value of 45%. The control of the anisotropic growth of different planes; as well as the lateral size, has also been partially optimized.

Gadolinium-doped cerium oxide nanorods: novel active catalysts for ethanol reforming

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)