NANOCARBON-BASED PHOTOVOLTAICS

 "Nanocarbon-Based Photovoltaics". M. Bernardi, J. Lohrman, P. V. Kumar, A. Kirkeminde, N. Ferralis, J. C. Grossman, S. Ren. ACS NANO. In press. DOI: 10.1021/nn302893p

Carbon materials are excellent candidates for photovoltaic solar cells: they are Earth-abundant, possess high optical absorption, and maintain superior thermal and photostability. Here we report on solar cells with active layers made solely of carbon nanomaterials that present the same advantages of conjugated polymer-based solar cells, namely, solution processable, potentially flexible, and chemically tunable, but with increased photostability and the possibility to revert photodegradation. The device active layer composition is optimized using ab initio density functional theory calculations to predict type-II band alignment and Schottky barrier formation. The best device fabricated is composed of PC₇₀BM fullerene, semiconducting single-walled carbon nanotubes, and reduced graphene oxide. This active-layer composition achieves a power conversion efficiency of 1.3%—a record for solar cells based on carbon as the active material—and we calculate efficiency limits of up to 13% for the devices fabricated in this work, comparable to those predicted for polymer solar cells employing PCBM as the acceptor. There is great promise for improving carbon-based solar cells considering the novelty of this type of device, the high photostability, and the availability of a large number of carbon materials with yet untapped potential for photovoltaics. Our results indicate a new strategy for efficient carbon-based, solution-processable, thin film, photostable solar cells.

Los materiales de carbono son candidatos excelentes para las celdas solares fotovoltaicas: estos materiales abundan en la Tierra, poseen una alta absorción óptica, y tienen una alta fotoestabilidad y una alta estabilidad térmica. Aquí se reportan celdas solares con capas activas hechas exclusivamente de nanomateriales de carbono, que presentan las mismas ventajas de las celdas solares hechas a base de polímeros conjugados, es decir, se procesan a partir de una solución, son pontencialmente flexibles, y químicamente entonables, pero además presentan una fotoestabilidad incrementada y la posibilidad de revertir la fotodegradación. La composición de capas activas del dispositivo está optimizada a partir de cálculos ab initio hechos a través de teoría del funcional de densidad, con los cuales se predice el alineamiento de las bandas tipo II y la formación de barreras tipo Schottky. El mejor de los dispositivos fabricados está compuesto de fulereno PC₇₀BM, nanotubos semiconductores de carbono de pared sencilla, y óxido de grafeno reducido. Esta composición de capas activas logra una eficiencia de conversión de potencia de 1.3% - un nuevo récord para las celdas solares hechas con cabono como material activo - y se calcula que los límites de eficiencia para los dispositivos fabricados en este trabajo es de 13%, lo cual es comparable a aquellos predichos para las celdas solares poliméricas que utilizan PCBM como aceptor. Existe una alta probabilidad de mejorar el desempeño de las celdas solares hechas de carbono, considerando lo novedoso de este tipo de dispositivos, su alta fotoestabilidad, y la disponibilidad de una gran cantidad de materiales de carbono, con un potencial todavía ilimitado para sus aplicaciones fotovoltaicas. Los resultados muestran una nueva estrategia para la elaboración de celdas solares eficientes, hechas de carbono, en forma de películas delgadas, fotoestables, y procesables a partir de una disolución.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn302893p 

POLYIMIDE AEROGELS

NASA’s Glenn Research Center has developed exceptionally strong polyimide aerogels that are up to
500 times stronger than conventional aerogels. These cross-linked polyimide aerogels are lightweight
and porous, with low thermal conductivity, making them an ideal material for numerous automotive
applications. They can be formed into monoliths or thin films for use in acoustic and thermal insulation
(e.g., engine firewall), vibration damping, thin-film coatings, or anywhere structural foam is currently
used in vehicles.

El centro Glenn de investigación de la NASA ha desarrollado aerogeles de poliamida excepcionalmente fuertes, que son hasta 500 veces más fuertes que los aerogeles convencionales. Estos aerogeles de poliamida entrecruzada son ligeros y porosos, y con baja conductividad térmica, lo que los vuelve unos materiales ideales para numerosas aplicaciones automotrices. Pueden ser elaborados en forma de monolitos o en forma de películas delgadas, para su uso en acústica y en aislamiento térmico (por ejemplo, como aislante de motores), en reducción de vibraciones, en recubrimientos de películas delgadas, o estructuralmente en cualquier lugar en donde actualmente se utiliza espuma en los vehículos.

NASA's document

AZOBENZENE PHOTOISOMERIZATION UNDER HIGH EXTERNAL PRESSURES: TESTING THE STRENGTH OF A LIGHT-ACTIVATED MOLECULAR MUSCLE

"Azobenzene Photoisomerization under High External Pressures: Testing the Strength of a Light-Activated Molecular Muscle". T. A. Singleton, K. S. Ramsay, M. M. Barsan, I. S. Butler, C. J. Barrett. JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 116, 9860 (2012). DOI: 10.1021/jp3060872

 The photoinduced isomerization and thermal back relaxation of an azobenzene-functionalized polymer poly(disperse red 1 acrylate) were investigated at increasing external pressures up to 1.5 GPa inside a diamond-anvil spectroscopic cell. The thermal cis–trans isomerization was monitored by laser pump–probe spectroscopy, which demonstrated an increase in the half-life of the isomerization process with increasing pressure. Additionally, the cis content of the photostationary state gradually decreased as a function of pressure, with complete arrest of the trans–cis photoisomerization above 1.5 GPa. The fact that the photoswitching behavior however could still be observed beyond 1 GPa is remarkable and is effectively a measure of the strength of the azobenzene chromophore as an artificial muscle. The changes in the Raman shifts of both trans- and cis-azobenzene were also investigated from ambient pressure up to 4 GPa, and no discontinuities were observed in the pressure vs wavenumber plots indicating no change in phase. The cis–trans photoisomerization of azobenzene was shown however to still be inducible at all the pressures investigated, confirming the suitability of these molecules for high-efficiency light actuation.

La isomerización fotoinducida y la relajación térimica de un polímero poli(disperse red 1 acrilato) funcionalizado con azobencenos fue estudiada ante incrementos de presión externa de hasta 1.5 GPa, dentro de una celda espectroscópica de yunque de diamante. La isomerización térmica cis-trans fue monitoreada por medio de espectroscopia láser tipo bombeo-prueba, la cual muestra un incremento en el tiempo de vida media del proceso de isomerización ante un incremento de la presión. Adicionalmente, el contenido cis del estado fotoestacionario disminuye gradualmente como función de la presión, con una completa estabilidad de la fotoisomerización trans-cis por arriba de los 1.5 GPa. Es de destacar el hecho de que el comportamiento de fotoactivación todavía se pueda observar más allá de 1 GPa y es, efectivamente, una medida de la fuerza del cromóforo azobencénico como un músculo artificial. Los cambios en los desplazamientos Raman de tanto el azobenceno trans como el azobenceno cis también fueron investigados desde la presión atmosférica hasta 4 GPa, y no se observaron discontinuidades en las gráficas de presión vs número de onda, lo cual indica que no hubo cambios de fase. Se observó, sin embargo, que la fotoisomerización cis-trans del azobenceno se puede inducir a todas las presiones investigadas, confirmando la capacidad altamente eficiente de estas moléculas para activarse con luz.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp3060872 

DWEK SCHOOL ON NANOPLASMONICS

http://www.weizmann.ac.il/conferences/plasmon2012/

FLUORESCENCE INTENSIFICATION OF RHODAMINE 6G IN ZIRCONIA-GLYMO GLASSES

 

"Fluorescence intensification of Rhodamine 6G in Zirconia-Glymo glasses". R. Reisfeld, V. Levchenko, T. Saraidarov, M. Behrendt, B. Kuklinski, M. Grinberg. OPTICAL MATERIALS 34, 2021 (2012). DOI: 10.1016/j.optmat.2012.02.015

Laser dye Rhodamine 6G incorporated into Zirconia-Glymo (Glymo-3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane) glasses obtained by sol–gel method shows increased luminescence in presence of silver nanoparticles (NPs). The mechanism of the increase was studied by continuous and dynamical fluorescence. The intensity enhancement of fluorescence by 225% was obtained in glasses co-doped with silver NPs. The experimental results allow concluding that the increase of fluorescence is mainly due to the interaction of the dye molecules with the scattering of silver plasmons.

El colorante láser Rodamina 6G incorporado en vidrios de Zirconia-Glymo (Glymo-3-Glicidoxipropiltrimetoxisilano) obtenidos mediante el método sol-gel muestra luminiscencia incrementada en presencia de nanopartículas de plata (NPs). El mecanismo de incremento se estudió por medio de fluorescencia continua y dinámica. El incremento del 225% en la intensidad de fluorescencia fue obtenido en vidrios contaminados además con nanopartículas de plata. Los resultados experimentales permiten concluir que el incremento en la fluorescencia se debe principalmente a la interacción de las moléculas de colorante con el esparcimiento debido a los plasmones de plata.

http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2012.02.015

A PLASMONIC FANO SWITCH

"A plasmonic Fano switch". W. -S. Chang, J. B. Lassiter, P. Swanglap, H. Sobhani, S. Khatua, P. Nordlander, N. J. Halas, S. Link. NANOLETTERS 12, 4977 (2012). DOI: 10.1021/nl302610v

Plasmonic clusters can support Fano resonances, where the line shape characteristics are controlled by cluster geometry. Here we show that clusters with a hemicircular central disk surrounded by a circular ring of closely spaced, coupled nanodisks yield Fano-like and non-Fano-like spectra for orthogonal incident polarization orientations. When this structure is incorporated into an uniquely broadband, liquid crystal device geometry, the entire Fano resonance spectrum can be switched on and off in a voltage-dependent manner. A reversible transition between the Fano-like and non-Fano-like spectra is induced by relatively low (6 V) applied voltages, resulting in a complete on/off switching of the transparency window.

Los agregados plasmónicos pueden presentar resonancias de Fano, en las cuales, las características de la forma de la línea se controlan mediante la geometría de los agregados. Aquí se muestra que los agregados que tienen un disco central semicircular rodeado por un anillo circular de nanodiscos acoplados y espaciados compactamente presentan tanto espectros tipo Fano y como espectros que no son tipo Fano para luz incidente con orientaciones de polarización ortogonales. Cuando esta estructura se incorpora a un dispositivo de cristal líquido con ancho de banda único, la resonancia de Fano en el espectro puede ser activada o desactivada por completo de una manera que es dependiente del voltaje. Se induce una transición reversible entre los espectros que son de tipo Fano y los que no lo son mediante voltajes aplicados relativamente pequeños (~6 V), dando lugar a un intercambio completo del encendido/apagado en la ventana de transparencia.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl302610v 

GENETIC, BIOLOGICAL AND STRUCTURAL HIERARCHIES DURING SPONGE SPICULE FORMATION: FROM SOFT SOL-GELS TO SOLID 3D SILICA COMPOSITE STRUCTURE

 "Genetic, biological and structural hierarchies during sponge spicule formation: from soft sol–gels to solid 3D silica composite structure". X. Wang, H. C. Schröder, K. Wang, J. A. Kaandorp, W. E. G. Müller. SOFT MATTER 8, 9501 (2012). DOI:  10.1039/C2SM25889G

Structural biomaterials are hierarchically organized and biofabricated. Although the structural complexity of most bioskeletons can be traced back from the millimeter-scale to the micrometer- or submicrometer-scale, the biological and/or genetic basis controlling the synthesis of these skeletons and their building blocks remained unknown. There is one distinguished example, the spicules of the siliceous sponges, for which the principle molecules and molecular-biological processes involved in their formation have been elucidated in the last few years. In this review, recent data on the different levels of molecular, biological and structural hierarchies controlling the synthesis of the picturesquely and intricately architectured spicules are summarized. The silicateins and their interacting/maturated proteins comprise the basic enzymatic/proteinous machinery that facilitates the polycondensation of silicate to biosilica. Two isoforms of silicatein, silicatein-α and silicatein-β, the enzyme that catalyzes the polymerization of orthosilicate to polymeric biosilica, have been identified. The remarkable feature of these enzymes is that, besides their enzymatic function, they act as structure-giving proteins that provide the platform for the organization of the silica spicules. Silicatein-α together with silicatein-β forms pentameric units that continue to grow in a linear pattern. The silicatein-interacting protein, silintaphin-1, stabilizes the initially formed silicatein fractals, while silintaphin-2 provides Ca²⁺ ions required for the appositional growth of the spicules. The biosilica formed during the enzymatically driven sol–gel process that is catalyzed by this multi-protein system is a soft, gel-like inorganic polymer. This soft biosilica undergoes a biologically controlled process of syneresis, resulting in a shrinkage of the silica network. During this reaction the biosilica is transformed into an elastic solid and gains the characteristic spicule morphology. A sizeable amount of protein, mostly silicatein, remains embedded in the biosilica material, thus forming a hybrid bioinorganic (“biosilica”) material. The process of syneresis involves the removal of water by cell-membrane-associated aquaporin channels and is guided by collagen bundles. Four cell types, sclerocytes, archaeocytes, chromocytes and lophocytes, participate in this structure-guiding process. In conclusion, this article attempts to overcome the frontiers in the understanding of the different levels of hierarchies, genetic, biological and structural, and to contribute towards the fabrication of new bioinspired functional materials.

Los biomateriales estructurales están jerárquicamente organizados y biofabricados. Sin embargo, a pesar de que la complejidad estructural de la mayor parte de los bioesqueletos pueden ser monitoreada desde la escala milimétrica hasta las escalas micrométricas o submicrométricas, las bases biológicas y/o genéticas que controlan la síntesis de estos esqueletos y sus bloques de construcción permanecen aún desconocidos. Existe un ejemplo notable, las espículas de las esponjas silíceas, cuyos principales procesos moleculares y biológicos involucrados en su formación han sido descubiertos a lo largo de los últimos años. En esta revisión se resumen los resultados más recientes acerca de los distintos niveles de jerarquización molecular, biológica y estructural que controlan la síntesis de pintorescas espículas con arquitectura intrincada. Las silicateínas y sus proteínas de interacción/maduración comprenden la maquinaria básica de enzimas/proteínas que facilitan la policondensación de silicatos en biosílica. Se identificaron dos isoformas de la silicateína, silicateína-α y silicateína-β, como la enzima que cataliza la polimerización de ortosilicato en biosílica polimérica. La característica más notable de estas enzimas es que, más allá de su función enzimática, ellas funcionan como proteínas proporcionadoras de estructura, las cuales dan lugar a la plataforma de organización de las espículas de sílica. La silicateína-α en conjunto con la silicateína-β forma unidades pentaméricas que continúan creciendo linealmente. La proteína silicateína de interacción, la silintafina-1, estabiliza los fractales de silicateína formados en un inicio, mientras que la silintafina-2 proporciona los iones de Ca²⁺ necesarios para el crecimiento aposicional de las espículas. La biosílica que se forma durante el proceso sol-gel controlado enzimáticamente es catalizado por este sistema de multiproteínas da lugar a un polímero inorgánico suave, tipo gel. Esta biosílica suave lleva a cabo un proceso de sinéresis controlado biológicamente, que da lugar a un encogimiento de la red de sílica. Durante esta reacción, la biosílica se transforma en un sólido elástico y adquiere la morfología característica de las espículas. Una cantidad escalable de proteína, principalmente silicateína, permanece inmersa en la biosílica, formando así un material híbrido bioinorgánico ("biosilica"). El proceso de sinéresis involucra la remoción de agua por medio de canales de acuaporina asociados a la membrana celular, y es guiada por racimo de colágeno. Cuatro tipos de células participan en este proceso de guía de estructuras: esclerocitos, arqueocitos, cromocitos y lofocitos. En conclusión, este trabajo intenta dar una visión más allá de las fronteras en el entendimiento de los diferentes niveles de jerarquías, genéticas, biológicas y estructurales, e intenta contribuir a la fabricación de nuevos materiales funcionales bioinspirados.

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/SM/c2sm25889g 

CARBON NANOTUBE BASED HIGH RESOLUTION HOLOGRAMS

 

"Carbon Nanotube Based High Resolution Holograms". H. Butt, Y. Montelongo, T. Butler, R. Rajesekharan, Q. Dai, S. G. Shiva-Reddy, T. D. Wilkinson, G. A. J. Amaratunga. ADVANCED MATERIALS. In press. DOI: 10.1002/adma.201202593

Carbon nanotubes are used as the smallest possible scattering element for diffracting light in a highly controlled manner to produce a 2D image. An array of carbon nanotubes is elegantly patterned to produce a high resolution hologram. In response to incident light on the hologram, a high contrast and wide field of view CAMBRIDGE image is produced. 

Se utilizaron nanotubos de carbono como los mínimos elementos posibles para la difracción de luz y la formación de imágenes 2D en un modo altamente controlado. Un arreglo de nanotubos de carbono se organizó elegantemente para producir un holograma de alta resolución. Como respuesta a la luz incidente en el holograma, se produce una imagen de alto contraste y de alto campo de visión con la palabra CAMBRIDGE.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201202593/abstract 

19TH NATIONAL SCIENCE AND TECHNOLOGY WEEK - MEXICO / 19A SEMANA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA - MÉXICO

 

http://www.conacyt.gob.mx/comunicacion/sncyt/Paginas/default.aspx 

PULSATING TUBULES FROM NONCOVALENT MACROCYCLES

"Pulsating Tubules from Noncovalent Macrocycles". Z. Huang, S. -K. Kang, M. Banno, T. Yamaguchi, D. Lee, C. Seok, E. Yashima, M. Lee. SCIENCE 337, 1521 (2012). DOI: 10.1126/science.1224741 

Despite recent advances in synthetic nanometer-scale tubular assembly, conferral of dynamic response characteristics to the tubules remains a challenge. Here, we report on supramolecular nanotubules that undergo a reversible contraction-expansion motion accompanied by an inversion of helical chirality. Bent-shaped aromatic amphiphiles self-assemble into hexameric macrocycles in aqueous solution, forming chiral tubules by spontaneous one-dimensional stacking with a mutual rotation in the same direction. The adjacent aromatic segments within the hexameric macrocycles reversibly slide along one another in response to external triggers, resulting in pulsating motions of the tubules accompanied by a chiral inversion. The aromatic interior of the self-assembled tubules encapsulates hydrophobic guests such as carbon-60 (C₆₀). Using a thermal trigger, we could regulate the C₆₀-C₆₀ interactions through the pulsating motion of the tubules.

A pesar de los avances recientes en los arreglos sintéticos tubulares nanométricos, continúa siendo un reto proporcionar características de respuesta dinámica a los túbulos. Aquí se reportan nanotúbulos supramoleculares que efectúan un movimiento de expansión-contracción reversible, acompañado de una inversión en la quiralidad helicoidal. Moléculas aromáticas anfifílicas, con forma curva, se autoorganizan, en solución, en macrociclos hexaméricos, formando túbulos quirales por medio de un apilamiento unidimensional espontáneo, con una rotación mutua en la misma dirección. Los segmentos aromáticos adyacentes, en los macrociclos hexaméricos, se desplazan reversiblemente a lo largo del otro macrociclo, en respuesta a estímulos externos, dando lugar a un movimiento pulsante de los túbulos, acompañados por inversión quiral. El interior aromático de los túbulos autoensamblados encapsula entidades hidrofóbicas tales como carbono-60 (C₆₀). Usando estímulos térmicos, se han podido controlar las interacciones C₆₀-C₆₀ a través del movimiento pulsante de los túbulos.

http://www.sciencemag.org/content/337/6101/1521 

SECURITY PRINTING OF COVERT QUICK RESPONSE COLORS USING UPCONVERTING NANOPARTICLE INKS

Translation to spanish:

Mi nombre en Jon Kellar, soy profesor de la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur. En lo que sigue se dará un panorama sobre un poco de la investigación hecha acerca de tintas de seguridad que presentan upconversion, la cual se realiza en colaboración con el Dr. Stanley May, en la Universidad de Dakota del Sur.

Impresión de seguridad de códigos secretos de respuesta rápida usando tintas de nanopartículas que presentan upconversion. Por: Jeevan Meruga.

Necesitamos hacer este código QR usando un archivo y haciéndolo compatible con la impresora de la Escuela de Minas. Empezamos la impresión usando la tinta. Éste es un atomizador que tenemos y usualmente usamos sólo una tinta. Aquí se controla la tinta y el flujo del atomizador. La boquilla se coloca por encima del sustrato; ésta imprime tinta sobre el sustrato, y hemos impreso exitosamente líneas de voltaje de unas 15 micras, controlando los parámetros.

Este pedazo de papel es uno de los que usamos para imprimir encima, y que no se vea nada. Está completamente cubierto, pero no somos capaces de verlo.

Este es un láser de nanómetros que da 8 watts. Así que vamos a excitar esto con el láser de nanómetros, y se observa el color verde, gracias al upconversion. Este código QR puede ser una marca de agua para luz láser visible de cerca de 530 nm de longitud de onda, gracias a las nanopartículas que presentan upconversion.

Usando una cámara con un lente IR , porque las cámaras usualmente quitan el IR pero no la luz proveniente del upconversion, se puede capturar el código QR. Una vez que se tiene el código QR, se escanea con alguna aplicación de un teléfono inteligente.

En este caso utilizamos el nombre de la escuela, el cual es Escuela de Minas y Tecnología. Tenemos distintos tipos de nanopartículas, algunas emiten en el verde, otras emiten en el azul. Nosotros usamos ambas para crear estos códigos QR que se pueden observar en el video.

Así que usando ésto podemos aumentar la potencialidad de la impresión de seguridad, ya que podemos representar cualquier caracter o símbolo mediante el código QR, desde el nivel microscópico hasta el macroscópico. Cuando queremos imprimir algo microscópico, se puede hacer para se encuentre capturado en el código QR. Ésto es lo que hacemos a nivel forense.

SURFACE-ENHANCED RAMAN SPECTROSCOPY TO PROBE PHOTOREACTION PATHWAYS AND KINETICS OF ISOLATED REACTANTS ON SURFACES: FLAT VERSUS CURVED SUBSTRATES

"Surface-Enhanced Raman Spectroscopy To Probe Photoreaction Pathways and Kinetics of Isolated Reactants on Surfaces: Flat versus Curved Substrates". Y. B. Zheng, J. L. Payton, T. -B. Song, B. K. Pathem, Y. Zhao, H. Ma, Y. Yang, L. Jensen, A. K. -Y. Jen, P. S. Weiss. NANOLETTERS. In press. DOI: 10.1021/nl302750d

We identify and control the photoreaction paths of self-assembled monolayers (SAMs) of thiolate-linked anthracene phenylethynyl molecules on Au substrate surfaces, and study the effects of nanoscale morphology of substrates on regioselective photoreactions. Two types of morphologies, atomically flat and curved, are produced on Au surfaces by controlling substrate structure and metal deposition. We employ surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), combined with Raman mode analyses using density functional theory, to identify the different photoreaction paths and to track the photoreaction kinetics and efficiencies of molecules in monolayers. The SAMs on curved surfaces exhibit dramatically lower regioselective photoreaction kinetics and efficiencies than those on atomically flat surfaces. This result is attributed to the increased intermolecular distances and variable orientations on the curved surfaces. Better understanding of the morphological effects of substrates will enable control of nanoparticle functionalization in ligand exchange in targeted delivery of therapeutics and theranostics and in catalysis.

Se identificaron y controlaron los mecanismos de fotoreacción de monocapas autoensambladas (SAMs) de moléculas feniletinil antraceno con tiolato ligado, sobre sustratos con superficie de Au, y se estudiaron los efectos de la morfología nanométrica de los sustratos en fotoreacciones selectivas. Dos tipos de morfologías, planas y curvas atómicamente, son producidas sobre superficies de Au mediante el control de la estructura del sustrato y del depósito del metal. Se empleó espectroscopia de superficie Raman incrementada (SERS), en combinación con análisis de modos Raman, usando la teoría de funcional de densidad, para identificar los diferentes mecanismos de fotoreacción y para darle seguimiento a la cinética de fotoreacción y a las eficiencias de las moléculas en las monocapas. Las SAMs que se encuentran sobre superficies curvas muestran una eficiencia y una cinética de fotoreacción selectiva notablemente menor que las que exhiben las superficies planas a nivel atómico. Este resultado se atribuye al aumento en las distancias intermoleculares y a las orientaciones variables en las superficies curvas. Un mejor entendimiento de los efectos morfológicos de los sustratos permitiría controlar la funcionalización de nanopartículas en el intercambio de ligantes, el envío dirigido de medicamentos en terapias y en teranóstica, así como en catálisis.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl302750d

MULTI-SCALE KINETICS OF A FIELD-DIRECTED COLLOIDAL PHASE TRANSITION

"Multi-scale kinetics of a field-directed colloidal phase transition". J. W. Swan, P. A. Vasquez, P. A. Whitson, E. M. Fincke, K. Wakata, S. H. Magnus, F. De Winne, M. R. Barratt, J. H. Agui, R. D. Green, N. R. Hall, D. Y. Bohman, C. T. Bunnell, A. P. Gast, E. M. Furst. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA. In press. DOI: 10.1073/pnas.1206915109

Polarizable colloids are expected to form crystalline equilibrium phases when exposed to a steady, uniform field. However, when colloids become localized this field-induced phase transition arrests and the suspension persists indefinitely as a kinetically trapped, percolated structure. We anneal such gels formed from magneto-rheological fluids by toggling the field strength at varied frequencies. This processing allows the arrested structure to relax periodically to equilibrium—colloid-rich, cylindrical columns. Two distinct growth regimes are observed: one in which particle domains ripen through diffusive relaxation of the gel, and the other where the system-spanning structure collapses and columnar domains coalesce apparently through field-driven interactions. There is a stark boundary as a function of magnetic field strength and toggle frequency distinguishing the two regimes. These results demonstrate how kinetic barriers to a colloidal phase transition are subverted through measured, periodic variation of driving forces. Such directed assembly may be harnessed to create unique materials from dispersions of colloids. 

Se espera que los coloides que son polarizables formen fases cristalinas en equilibrio cuando se exponen a un campo uniforme y estacionario. Sin embargo, cuando los coloides se encuentran localizados, esta transición de fase inducida por el campo se congela y la suspensión persiste indefinidamente como una estructura percolada, atrapada cinéticamente. Se recocen tales geles formados mediante fluidos magnetoreológicos por medio de la alternancia de la intensidad del campo a distintas frecuencias. Este proceso permite que la estructura congelada se relaje periódicamente hasta llegar al equilibrio - coloide rico en columnas cilíndricas. Se observan dos distintos regímenes de crecimiento: uno en el cual las partículas dominan el envejecimiento a través de la relajación difusiva del gel, y otra en la que toda la estructura del sistema colapsa y los dominios de columnas coalescen, aparentemente a través de interacciones controladas con el campo. Existe una clara frontera que distingue ambos regímenes, como función de la intensidad del campo magnético y de la alternancia de su intensidad. Estos resultados demuestran cómo las barreras cinéticas de las transiciones de fase coloidales se transforman a través de fuerzas de control con variación periódica. Tal ensamblaje dirigido puede emplearse para crear materiales únicos a partir de dispersiones de coloides.

http://www.pnas.org/content/early/2012/09/11/1206915109

PRINTED PHOTONIC ARRAYS FROM SELF-ORGANIZED CHIRAL NEMATIC LIQUID CRYSTALS

 "Printed photonic arrays from self-organized chiral nematic liquid crystals". D. J. Gardiner, W. -K. Hsiao, S. M. Morris, P. J. W. Hands, T. D. Wilkinson, I. M. Hutchings, H. J. Coles. SOFT MATTER 8, 9977 (2012). DOI: 10.1039/C2SM26479J

Active laser arrays, of arbitrary pattern, were created by inkjet deposition of self-assembled photonic structures in the form of dye-doped chiral nematic liquid crystals. The print process itself achieves the requisite alignment for photonic band-edge lasing action normal to the substrate; laser threshold and linewidth characteristics are presented.

Se crearon arreglos láser activos, de ordenamiento arbitrario, por medio del depósito por inyección de tinta de estructuras fotónicas autoensambladas, en la forma de cristales líquidos nemáticos quirales contaminados con colorantes. El proceso de impresión, por sí mismo, satisface el requisito de alineamiento para emisión láser, normal al substrato, en los bordes de las bandas fotónicas; se presentan las características del umbral  y del ancho de línea del láser.

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/SM/c2sm26479j 

 

BIOCOMPATIBLE POLYMERIC NANOPARTICLES DEGRADE AND RELEASE CARGO IN RESPONSE TO BIOLOGICALLY RELEVANT LEVELS OF HYDROGEN PEROXIDE

 "Biocompatible Polymeric Nanoparticles Degrade and Release Cargo in Response to Biologically Relevant Levels of Hydrogen Peroxide". C. de Gracia Lux, S. Joshi-Barr, T. Nguyen, E. Mahmoud, E. Schopf, N. Fomina, A. Almutairi. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. In press. DOI: 10.1021/ja303372u

 Oxidative stress is caused predominantly by accumulation of hydrogen peroxide and distinguishes inflamed tissue from healthy tissue. Hydrogen peroxide could potentially be useful as a stimulus for targeted drug delivery to diseased tissue. However, current polymeric systems are not sensitive to biologically relevant concentrations of H₂O₂ (50–100 μM). Here we report a new biocompatible polymeric capsule capable of undergoing backbone degradation and thus release upon exposure to such concentrations of hydrogen peroxide. Two polymeric structures were developed differing with respect to the linkage between the boronic ester group and the polymeric backbone: either direct (1) or via an ether linkage (2). Both polymers are stable in aqueous solution at normal pH, and exposure to peroxide induces the removal of the boronic ester protecting groups at physiological pH and temperature, revealing phenols along the backbone, which undergo quinone methide rearrangement to lead to polymer degradation. Considerably faster backbone degradation was observed for polymer 2 over polymer 1 by NMR and GPC. Nanoparticles were formulated from these novel materials to analyze their oxidation triggered release properties. While nanoparticles formulated from polymer 1 only released 50% of the reporter dye after exposure to 1 mM H₂O₂ for 26 h, nanoparticles formulated from polymer 2 did so within 10 h and were able to release their cargo selectively in biologically relevant concentrations of H₂O₂. Nanoparticles formulated from polymer 2 showed a 2-fold enhancement of release upon incubation with activated neutrophils, while controls showed a nonspecific response to ROS producing cells. These polymers represent a novel, biologically relevant, and biocompatible approach to biodegradable H₂O₂-triggered release systems that can degrade into small molecules, release their cargo, and should be easily cleared by the body.

 La tensión oxidativa la causa, primordialmente, la acumulación de peróxido de hidrógeno, y distingue el tejido inflamado del tejido sano. El peróxido de hidrógeno podría ser potencialmente útil como estímulo para la liberación dirigida de medicamentos en tejido enfermo. Sin embargo, los sistemas poliméricos actuales no son sensibles a concentraciones biológicamente relevantes de H₂O₂ (50–100 μM). Aquí se reporta una nueva cápsula polimérica biocompatible capaz de llevar a cabo degradación de su matriz y así liberar medicamento ante tales concentraciones de peróxido de hidrógeno. Se desarrollaron dos estructuras poliméricas que difieren entre sí por el enlace existente entre el grupo ester borónico y la matriz polimérica: es directo (1) o vía un enlace éter (2). Ambos polímeros son estables en una solución acuosa con pH normal, y su exposición al peróxido induce la remoción de los grupos protectores ester borónicos, en condiciones fisiológicas de temperatura y pH, dejando expuestos los grupos fenol a lo largo de la matriz, los cuales experimentan un rearreglo tipo metida quinona para dar lugar a la degradación de la matriz.

Se observó, por NMR y GPC, una degradación de la matriz considerablemente más rápida en el polímero 2 que en el polímero 1. Se formularon nanopartículas a partir de estos materiales novedosos para analizar sus propiedades en el disparo de la liberación a través de la oxidación. Mientras que las nanopartículas formuladas a partir del polímero 1 liberaron solamente el 50% del colorante control después de su exposición a H₂O₂ - 1mM por 26 h, las nanopartículas formuladas con el polímero 2 lo hicieron en sólo 10 h y fueron capaces de liberar su carga selectivamente en concentraciones biológicamente relevantes de H₂O₂. Las nanopartículas formuladas a partir del polímero 2 muestran una duplicación en la liberación ante la incubación con neutrófilos activados, mientras que el control muestra una respuesta no específica a las células productoras de ROS. Estos polímeros representan una alternativa nueva, biocompatible y biológicamente relevante a sistemas de liberación biodegradables activados con H₂O₂, que se pueden descomponer en pequeñas moléculas, liberar su cargamento, y que pueden ser eliminados fácilmente por el cuerpo humano.

 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja303372u

ABERRATION-FREE ULTRATHIN FLAT LENSES AND AXICONS AT TELECOM WAVELENGTHS BASED ON PLASMONIC METASURFACES

 

"Aberration-Free Ultrathin Flat Lenses and Axicons at Telecom Wavelengths Based on Plasmonic Metasurfaces". F. Aieta, P. Genevet, M. A. Kats, N. Yu, R. Blanchard, Z. Gaburro, F. Capasso. NANOLETTERS 12, 4932 (2012). DOI: 10.1021/nl302516v

The concept of optical phase discontinuities is applied to the design and demonstration of aberration-free planar lenses and axicons, comprising a phased array of ultrathin subwavelength-spaced optical antennas. The lenses and axicons consist of V-shaped nanoantennas that introduce a radial distribution of phase discontinuities, thereby generating respectively spherical wavefronts and nondiffracting Bessel beams at telecom wavelengths. Simulations are also presented to show that our aberration-free designs are applicable to high-numerical aperture lenses such as flat microscope objectives.

El concepto de discontinuidades de fase óptica se aplica al diseño y demostración de lentes planas libres de aberraciones y axicones, comprendiendo un arreglo de fase ultradelgado de antenas ópticas separadas por una distancia inferior a la longitud de onda. Las lentes y los axicones están hechas de nanoantes en forma de "V" que presentan una distribución radial de discontinuidades de fase, generando así frentes de onda esféricos y haces Bessel que no presentan difracción a longitudes de onda de telecomunicaciones. Las simulaciones también se presentan para mostrar que estos diseños libres de aberraciones son aplicables a lentes de alta apertura numérica, tales como los objetivos planos de microscopio.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl302516v 

DNA ORIGAMI DELIVERY SYSTEM FOR CANCER THERAPY WITH TUNABLE RELEASE PROPERTIES

"DNA Origami Delivery System for Cancer Therapy with Tunable Release Properties". Y. -X. Zhao, A. Shaw, X. Zeng, E. Benson, A. M. Nyström, B. Högberg. ACS NANO. In press. DOI: 10.1021/nn3022662

In the assembly of DNA nanostructures, the specificity of Watson–Crick base pairing is used to control matter at the nanoscale. Using this technology for drug delivery is a promising route toward the magic bullet concept, as it would allow the realization of complex assemblies that co-localize drugs, targeting ligands and other functionalities in one nanostructure. Anthracyclines' mechanism of action in cancer therapy is to intercalate DNA, and since DNA nanotechnology allows for such a high degree of customization, we hypothesized that this would allow us to tune the DNA nanostructures for optimal delivery of the anthracycline doxorubicin (Dox) to human breast cancer cells. We have tested two DNA origami nanostructures on three different breast cancer cell lines (MDA-MB-231, MDA-MB-468, and MCF-7). The different nanostructures were designed to exhibit varying degrees of global twist, leading to different amounts of relaxation in the DNA double-helix structure. By tuning the nanostructure design we are able to (i) tune the encapsulation efficiency and the release rate of the drug and (ii) increase the cytotoxicity and lower the intracellular elimination rate when compared to free Dox. Enhanced apoptosis induced by the delivery system in breast cancer cells was investigated using flow cytometry. The findings indicate that DNA origami nanostructures represent an efficient delivery system for Dox, resulting in high degrees of internalization and increased induction of programmed cell death in breast cancer cells. In addition, by designing the structures to exhibit different degrees of twist, we are able to rationally control and tailor the drug release kinetics.

En este arreglo de nanoestructuras tipo ADN, la especifidad de las parejas de bases de Watson-Crick se emplea para controla la materia en escala nanométrica. El empleo de esta tecnología para la liberación de medicamentos es una ruta prometedora para el concepto de "bala mágica", pues podría permitir la realización de arreglos complejos que co-localicen los medicamentos, etiqueten enlaces y realicen otras funciones en una sóla nanoestructura. El mecanismo de acción de las antraciclinas en la terapia contra el cáncer consiste en intercalar ADN, y como la nanotecnología ADN permite tal grado de adaptación, se piensa que podría permitir ajustar las nanoestructuras de ADN para una liberación óptima de la doxorubicina antraciclina (Dox) en las células cancerosas de pecho humano. Se hicieron pruebas con dos nanoestructuras origami de ADN para tres distintas líneas de células responsables del cáncer de pecho (MDA-MB-231,MDA-MB-468, y MCF-7). Las distintas nanoestructuras fueron diseñadas para exhibir varios grados de helicidad global, llevando a diversas cantidades de relajación en la estructura de doble hélice del ADN. Controlando el diseño de la nanoestructura es posible (i) modificar la eficiencia de encapsulado y la rapidez de liberación del medicamento, e (ii) incrementar la citotoxicidad y disminuir la rapidez de eliminación intracelular, en comparación con el Dox libre. Se investigó, por medio de citometría de flujo, el aumento en la apoptosis inducida por el sistema de liberación en las células cancerosas de pecho. Los resultados muestran que las nanoestructuras origami de ADN son un sistema de liberación eficiente, que permite altos grados de internalización y un aumento en la inducción de la muerte celular programada en las células de cáncer de pecho. Adicionalmente, al diseñar las estucturas con distintos grados de helicidad, es posible controlar racionalmente y adaptar la cinética de liberación de medicamentos.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn3022662 

IN VIVO PHOTODYNAMIC THERAPY USING UPCONVERSION NANOPARTICLES AS REMOTE-CONTROLLED NANOTRANSDUCERS

 "In vivo photodynamic therapy using upconversion nanoparticles as remote-controlled nanotransducers". N. M. Idris, M. K. Gnanasammandhan, J. Zhang, P. C. Ho, R. Mahendran, Y. Zhang. NATURE MEDICINE. In press. DOI: 10.1038/nm.2933

Conventional photodynamic therapy (PDT) is limited by the penetration depth of visible light needed for its activation. Here we used mesoporous-silica–coated upconversion fluorescent nanoparticles (UCNs) as a nanotransducer to convert deeply penetrating near-infrared light to visible wavelengths and a carrier of photosensitizers. We also used the multicolor-emission capability of the UCNs at a single excitation wavelength for simultaneous activation of two photosensitizers for enhanced PDT. We showed a greater PDT efficacy with the dual-photosensitizer approach compared to approaches using a single photosensitizer, as determined by enhanced generation of singlet oxygen and reduced cell viability. In vivo studies also showed tumor growth inhibition in PDT-treated mice by direct injection of UCNs into melanoma tumors or intravenous injection of UCNs conjugated with a tumor-targeting agent into tumor-bearing mice. As the first demonstration, to the best of our knowledge, of the photosensitizer-loaded UCN as an in vivo–targeted PDT agent, this finding may serve as a platform for future noninvasive deep-cancer therapy.

La terapia fotodinámica convencional (PDT) está limitada por la profundidad de penetración de la luz visible necesaria para su activación. Aquí se usaron nanopartículas fluorescentes que presentan upconversion, cubiertas de dióxido de silicio mesoporoso (UCNs) como un nanotransductor que convierte luz de alta penetración, en el infrarrojo cercano, en luz con longitudes de onda visibles, y también se utilizaron como portadores de fotosensibilizadores. También se uso capacidad de emisión multicolor de las UCNs, ante la excitación de una sola longitud de onda, para la activación simultánea de dos fotosensibilizadores que incrementan la PDT. Se muestra una mayor eficacia de PDT con la estrategia de fotosensibilizadores duales que usando un sólo fotosensibilizador, como pudo ser determinado por el aumento en la generación de oxígeno singulete y la reducción de la viabilidad celular. Estudios in vivo mostraron también una inhibición en el crecimiento tumoral de ratones tratados con PDT, por medio de la inyección directa de UCNs en tumores de melanoma, o por medio de la inyección intravenosa de UCNs conjugadas con un agente identificador de tumores en los ratones con tumores. Ésta es una primera demostración, hasta donde se sabe, del uso de UCN cargadas con fotosensibilizadores como un agente PDT dirigido in vivo, estos resultados pueden servir de plataforma para futuras terapias no invasivas en cáncer profundo.

http://www.nature.com/nm/journal/vaop/ncurrent/full/nm.2933.html

NANOTECH ITALY 2012

http://www.nanotechitaly.it/

MEASUREMENT OF PHOTON STATISTICS WITH LIVE PHOTORECEPTOR CELLS

"Measurement of Photon Statistics with Live Photoreceptor Cells". N. Sim, M. F. Cheng, D. Bessarab, C. M. Jones, L. A. Krivitsky. PHYSICAL REVIEW LETTERS 109, 113601 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.113601

We analyzed the electrophysiological response of an isolated rod photoreceptor of Xenopus laevis under stimulation by coherent and pseudothermal light sources. Using the suction-electrode technique for single cell recordings and a fiber optics setup for light delivery allowed measurements of the major statistical characteristics of the rod response. The results indicate differences in average responses of rod cells to coherent and pseudothermal light of the same intensity and also differences in signal-to-noise ratios and second-order intensity correlation functions. These findings should be relevant for interdisciplinary studies seeking applications of quantum optics in biology.

Se analizó la respuesta electrofisiológica de una célula aislada tipo bastón fotorreceptor de Xenopus laevis, bajo la estimulación de fuentes de luz coherentes y pseudotérmicas. Usando la técnica de electrodo de succión para mediciones en células aisladas, y un arreglo de fibras ópticas para el envío de luz, se realizaron mediciones estadísticas de la respuesta del bastón. Los resultados indican las diferencias entre las respuestas promedios de las células bastón ante la luz coherente y ante la luz pseudotérmica, ambas de la misma intensidad, y también indican las diferencias entre las proporciones de señal-ruido y entre las funciones de correlación de intensidad de segundo orden. Estos resultados pueden ser relevantes para estudios interdisciplinarios enfocados a aplicaciones de óptica cuántica en biología.

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.113601 

AZO-PROPOFOLS: PHOTOCHROMIC POTENTIATORS OF GABAA RECEPTORS

 

"Azo-Propofols: Photochromic Potentiators of GABAA Receptors". M. Stein, S. J. Middendorp, V. Carta, E. Pejo, D. E. Raines, S. A. Forman, E. Sigel, D. Trauner. ANGEWANDTE CHEMIE INTERNATIONAL EDITION. In press. DOI: 10.1002/anie.201205475

Shine and rise! GABA_A receptors are ligand-gated chloride ion channels that respond to γ-aminobutyric acid (GABA), which is the major inhibitory neurotransmitter of the mammalian central nervous system. Azobenzene derivatives of propofol, such as compound 1, increase GABA-induced currents in the dark form and loose this property upon light exposure and thus function as photochromic potentiators. Compound 1 can be employed as a light-dependent general anesthetic in translucent tadpoles.

Brilla y se levanta! Los receptores GABA_A son canales de iones cloruro con compuertas ligadas que se activan con ácido γ-aminobutírico (GABA), el cual es el mayor inhibidor de neurotransmisores en el sistema nervioso central de los mamíferos. Los derivados azobencénicos del propofol, tales como el compuesto 1 de este trabajo, aumentan las corrientes inducidas de GABA en la oscuridad, y pierden esta propiedad cuando se iluminan, es decir, que funcionan como potenciadores fotocrómicos. El compuesto 1 se puede utilizar, en renacuajos traslúcidos, como un anestésico general que depende de la iluminación.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201205475/ 

HOW TO BOIL WATER WITHOUT BUBBLES

"How to boil water without bubbles". K. Sanderson. NATURE (2012). DOI: 10.1038/nature.2012.11400

Coating helps hot metal hang onto protective vapour layer that prevents explosive boiling.

Recubrimiento que ayuda a los metales a permanecer sobre una capa protectora de vapor que previene las ebulliciones explosivas.

http://www.nature.com/news/how-to-boil-water-without-bubbles-1.11400 

A DENSE POLY(ETHYLENE GLYCOL) COATING IMPROVES PENETRATION OF LARGE POLYMERIC NANOPARTICLES WITHIN BRAIN TISSUE

 

"A Dense Poly(Ethylene Glycol) Coating Improves Penetration of Large Polymeric Nanoparticles Within Brain Tissue". E. A. Nance, G. F. Woodworth, K. A. Sailor, T. -Y. Shih, Q. Xu, G. Swaminathan, D. Xiang, C. Eberhart, J. Hanes. SCIENCE 4, 149ra119 (2012). DOI: 10.1126/scitranslmed.3003594

Prevailing opinion suggests that only substances up to 64 nm in diameter can move at appreciable rates through the brain extracellular space (ECS). This size range is large enough to allow diffusion of signaling molecules, nutrients, and metabolic waste products, but too small to allow efficient penetration of most particulate drug delivery systems and viruses carrying therapeutic genes, thereby limiting effectiveness of many potential therapies. We analyzed the movements of nanoparticles of various diameters and surface coatings within fresh human and rat brain tissue ex vivo and mouse brain in vivo. Nanoparticles as large as 114 nm in diameter diffused within the human and rat brain, but only if they were densely coated with poly(ethylene glycol) (PEG). Using these minimally adhesive PEG-coated particles, we estimated that human brain tissue ECS has some pores larger than 200 nm and that more than one-quarter of all pores are ≥100 nm. These findings were confirmed in vivo in mice, where 40- and 100-nm, but not 200-nm, nanoparticles spread rapidly within brain tissue, only if densely coated with PEG. Similar results were observed in rat brain tissue with paclitaxel-loaded biodegradable nanoparticles of similar size (85 nm) and surface properties. The ability to achieve brain penetration with larger nanoparticles is expected to allow more uniform, longer-lasting, and effective delivery of drugs within the brain, and may find use in the treatment of brain tumors, stroke, neuroinflammation, and other brain diseases where the blood-brain barrier is compromised or where local delivery strategies are feasible. 

La opinión generalizada sugiere que sólo substancias de hasta 64 nm en diámetro pueden desplazarse con una rapidez apreciable a través del espacio extracelular del cerebro (ECS). Este intervalo de tamaños es lo suficientemente grande para permitir la difusión de moléculas de contraste, nutrientes, y productos metabólicos de desecho, pero a la vez es muy pequeña para permitir una eficiente penetración de la mayor parte de los sistemas particulados de liberación de medicamentos y de virus portadores de genes terapéuticos, limitando así la efectividad de muchas posibles terapias. Se analizaron los movimientos de nanopartículas de diversos diámetros y con diversos recubrimientos en su superficie, en tejido cerebral ex vivo fresco, de humanos y de ratas, y en tejido cerebral in vivo en ratones. Nanopartículas con dimensiones tan grandes como 114 nm en diámetro se difundieron en el cerebro humano y de rata, pero únicamente cuando se recubrieron densamente con poli(etilen glicol) (PEG). Utilizando estas partículas poco adhesivas, recubiertas con PEG, se estimó que el ECS del tejido cerebral humano tiene poros de dimensiones tan grandes como 200 nm, y que más de una cuarta parte de todos los poros son ≥100 nm. Estos resultados fueron confirmados, in vivo, en ratas, donde nanopartículas de 40 y 100 nm se difundieron rápidamente en el tejido cerebral, sólo cuando las nanopartículas estuvieron densamente recubiertas con PEG, pero no ocurrió así con nanopartículas de 200 nm. Se observaron resultados similares, en el tejido cerebral de las ratas, utilizando nanopartículas biodegradables con paclitaxel de un tamaño similar (85 nm) y con propiedades superficiales similares. Se espera que la capacidad de lograr penetración cerebral con nanopartículas más grandes permita una liberación de medicamentos en el cerebro que sea más uniforme, de mayor duración y más efectiva, y que pueda encontrar uso en el tratamiento de tumores cerebrales, derrames cerebrales, neuroinflamación, y en otras enfermedades cerebrales en las que se encuentre presente una barrera de sangre en el cerebro, o en las que sea posible una estrategia de liberación local de medicamentos.

http://stm.sciencemag.org/content/4/149/149ra119 

POINTILLIST STRUCTURAL COLOR IN POLLIA FRUIT

 

"Pointillist structural color in Pollia fruit". S. Vignolini, P. J. Rudall, A. V. Rowland, A. Reed, E. Moyroud, R. B. Faden, J. J. Baumberg, B. J. Glover, U. Streiner. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA. In press. DOI: 10.1073/pnas.1210105109

Biological communication by means of structural color has existed for at least 500 million years. Structural color is commonly observed in the animal kingdom, but has been little studied in plants. We present a striking example of multilayer-based strong iridescent coloration in plants, in the fruit of Pollia condensata. The color is caused by Bragg reflection of helicoidally stacked cellulose microfibrils that form multilayers in the cell walls of the epicarp. We demonstrate that animals and plants have convergently evolved multilayer-based photonic structures to generate colors using entirely distinct materials. The bright blue coloration of this fruit is more intense than that of any previously described biological material. Uniquely in nature, the reflected color differs from cell to cell, as the layer thicknesses in the multilayer stack vary, giving the fruit a striking pixelated or pointillist appearance. Because the multilayers form with both helicoidicities, optical characterization reveals that the reflected light from every epidermal cell is polarized circularly either to the left or to the right, a feature that has never previously been observed in a single tissue. 

La comunicación biológica por medio de color estructural ha existido por al menos 500 millones de años. El color estructural se observa comúnmente en el reino animal, pero ha sido poco estudiado en las plantas. Se presenta un impactante ejemplo de una fuerte coloración iridiscente en plantas, basada en arreglos multicapas, en la fruta Pollia condensata. El color es provocado por una reflexión tipo Bragg de las microfibras de celulosa apiladas helicoidalmente, las cuales forman multicapas en las paredes celulares del epicarpio. Se demuestra que los animales y las plantas han desarrollado convergentemente estructuras fotónicas hechas de multicapas para la generación de colores, utilizando materiales completamente distintos. La coloración azul brillante de esta fruta es más intensa que la de cualquier otro material biológico descrito previamente. Único en la naturaleza, el color reflejado difiere de célula a célula, conforme cambia el espesor de las capas en el arreglo multicapa, dando a la fruta una apariencia fuertemente pixelada o puntillista. Debido a que las multicapas se forman con ambas helicidades, la caracterización óptica muestra que la luz reflejada de cada célula de la epidermis está circularmente polarizada, ya sea a la izquierda o a la derecha, una característica que nunca antes se había observado en tejido alguno.

http://www.pnas.org/content/early/2012/09/04/1210105109 

ALL-OPTICAL ACTIVE SWITCHING IN INDIVIDUAL SEMICONDUCTOR NANOWIRES

 "All-optical active switching in individual semiconductor nanowires". B. Piccione, C. -H. Cho, L. K. van Vugt, R. Agarwal. NATURE NANOTECHNOLOGY. In press. DOI: 10.1038/nnano.2012.144

The imminent limitations of electronic integrated circuits are stimulating intense activity in the area of nanophotonics for the development of on-chip optical components, and solutions incorporating direct-bandgap semiconductors are important in achieving this end. Optical processing of data at the nanometre scale is promising for circumventing these limitations, but requires the development of a toolbox of components including emitters, detectors, modulators, waveguides and switches. In comparison to components fabricated using top-down methods, semiconductor nanowires offer superior surface properties and stronger optical confinement. They are therefore ideal candidates for nanoscale optical network components, as well as model systems for understanding optical confinement. Here, we demonstrate all-optical switching in individual CdS nanowire cavities with subwavelength dimensions through stimulated polariton scattering, as well as a functional NAND gate built from multiple switches. The device design exploits the strong light–matter coupling present in these nanowires, leading to footprints that are a fraction of those of comparable silicon-based dielectric contrast and photonic crystal devices.

Las inminentes limitaciones de los circuitos electrónicos integrados están estimulando una intensa actividad en el área de la nanofotónica para el desarrollo de componentes ópticas integradas, igualmente la solución a la incorporación de semiconductores de brecha de energía directa es importante para lograr tales componentes ópticas integradas. El procesamiento óptico de datos, a escala nanométrica, resulta prometedora para sobrepasar tales limitaciones, pero requiere del desarrollo de una caja de herramientas que contenga componentes tales como emisores, detectores, moduladores, guías de onda e interruptores. En comparación con las componentes fabricadas a partir de los métodos top-down, los nanoalambres semiconductores ofrecen propiedades de superficie superiores y un confinamiento óptico más intenso. Son, por lo tanto, candidatos ideales para la red de nanocomponentes ópticas, así como sistemas ideales para el entendimiento del confinamiento óptico. Aquí se demuestra un interruptor completamente óptico en cavidades de un nanoalambre individual de CdS, con dimensiones por debajo de la longitud de onda, usando esparcimiento estimulado de polaritones, así como una compuerta funcional tipo NAND hecha de múltiples interruptores. El diseño del dispositivo hace uso de la fuerte interacción luz-materia presente en estos nanoalambres, dejando marcas que son tan sólo una fracción de aquellas correspondientes a dispositivos comparables hechos de silicio y de cristales fotónicos.

 http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2012.144.html 

COSINE-GAUSS PLASMON BEAM: A LOCALIZED LONG-RANGE NONDIFFRACTING SURFACE WAVE

"Cosine-Gauss Plasmon Beam: A Localized Long-Range Nondiffracting Surface Wave". J. Lin, J. Dellinger, P. Genevet, B. Cluzel, F. de Fornel, F. Capasso. PHYSICAL REVIEW LETTERS 109, 093904 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.093904

A new surface wave is introduced, the cosine-Gauss beam, which does not diffract while it propagates in a straight line and tightly bound to the metallic surface for distances up to 80  μm. The generation of this highly localized wave is shown to be straightforward and highly controllable, with varying degrees of transverse confinement and directionality, by fabricating a plasmon launcher consisting of intersecting metallic gratings. Cosine-Gauss beams have potential for applications in plasmonics, notably for efficient coupling to nanophotonic devices, opening up new design possibilities for next-generation optical interconnects.

Se presenta una nueva onda de superficie, el haz tipo coseno-Gauss, el cual no difracta mientras se propaga en línea recta y unido a las cercanías de una superficie metálica, para distancias de hasta 80  μm. Se muestra que la generación de esta onda altamente localizada es directa y altamente controlable, con grados variables de direccionalidad y de confinamiento transveral, a partir de la fabricación de una fuente plasmónica, consistente de una intersección de rejillas metálicas. Los haces tipo coseno-Gauss tienen aplicaciones potenciales en plasmónica, y destacan por su eficiente acoplamiento a dispositivos nanofotónicos, lo cual abre nuevas posibilidades de diseño para la siguiente generación de interconexiones ópticas.

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.093904 

METAL-ORGANIC FRAMEWORK MATERIALS WITH ULTRAHIGH SURFACE AREAS: IS THE SKY THE LIMIT?

 "Metal–Organic Framework Materials with Ultrahigh Surface Areas: Is the Sky the Limit?" O. K. Farha, I. Eryazici, N. C. Jeong, B. G. Hauser, C. E. Wilmer, A. A. Sarjeant, R. Q. Snurr, S. T. Nguyen, A. O. Yazaydin, J. T. Hupp. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. In press. 

DOI: 10.1021/ja3055639

We have synthesized, characterized, and computationally simulated/validated the behavior of two new metal–organic framework (MOF) materials displaying the highest experimental Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface areas of any porous materials reported to date (~7000 m²/g). Key to evacuating the initially solvent-filled materials without pore collapse, and thereby accessing the ultrahigh areas, is the use of a supercritical CO₂ activation technique. Additionally, we demonstrate computationally that by shifting from phenyl groups to “space efficient” acetylene moieties as linker expansion units, the hypothetical maximum surface area for a MOF material is substantially greater than previously envisioned (~14600 m²/g (or greater) versus ~10500 m²/g).

Se sintetizó, caracterizó y se simuló/validó computacionalmente el comportamiento de dos nuevas estructuras metal-orgánicas (MOF), que muestran las mayores áreas superficiales Brunauer-Emmett-Teller (BET) que hasta el día de hoy se hayan reportado (~7000 m²/g) . La clave para evacuar los materiales, inicialmente rellenos de disolventes, sin que los poros colapsen, y así alcanzar áreas ultra-altas, está en el uso de la técnica de activación supercrítica con CO₂. Adicionalmente, se demuestra computacionalmente, que a partir del desplazamiento de grupos fenil para lograr entidades de acetileno "espacialmente eficientes" que funcionen como unidades ligantes de expansión, la hipotética máxíma área superficial para un material MOF es substancialmente mayor que las previstas anteriormente (~14600 m²/g (o mayor) versus ~10500 m²/g).

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja3055639

OSA VIDEO CONTEST

http://www.facebook.com/opticalsociety?v=app_202991206406825&rest=1

ELECTROCHEMICAL OPTICAL-MODULATION DEVICE WITH REVERSIBLE TRANSFORMATION BETWEEN TRANSPARENT, MIRROR, AND BLACK

"Electrochemical Optical-Modulation Device with Reversible Transformation Between Transparent, Mirror, and Black". S. Araki, K. Nakamura, K. Kobayashi, A. Tsuboi, N. Kobayashi. ADVANCED MATERIALS 24, OP122 (2012). DOI: 10.1002/adma.201200060

A novel electrochromic device with three optical states, transparent, specular mirror, and black, is demonstrated. The cell is constructed by sandwiching gel electrolyte containing silver nitrate between one flat and one particle-modified indium thin oxide electrode. The optical states can be switched by altering the potential across the two electrodes. All changes are reversible and show good stability over 2500 cycles of testing. 

Se muestra un nuevo dispositivo electrocrómico con tres estados ópticos, transparente, reflejante especular, y negro. La celda se construye emparedando gel electrolítico que contiene nitrato de plata entre un electrodo plano y un electrodo de óxido de indio estaño (ITO) modificado con partículas. Los estados ópticos pueden alternarse mediante cambios en la diferencia de potencial entre los dos electrodos. Todos los cambios son reversibles y muestran una buena estabilidad de más de 2500 ciclos por prueba.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201200060/abstract

PHOTORESPONSIVE BLOCK COPOLYMER PHOTONIC GELS WITH WIDELY TUNABLE PHOTOSENSITIVITY BY COUNTER-IONS

 "Photoresponsive Block Copolymer Photonic Gels with Widely Tunable Photosensitivity by Counter-Ions". Y. Ahn, E. Kim, J. Hyon, C. Kang, Y. Kang. ADVANCED MATERIALS 24, OP127 (2012). DOI: 10.1002/adma.201103767

Block copolymer photonic crystals comprising polyelectrolyte hydrogels exhibit strong reflective multicolors in response to near-UV radiation. Due to unique volume transition of swollen gels, the photonic gels show high photosensitivity, and which can be widely tunable by exchanging counter-anions. Multicolor photonic patterns created by photolithography can be repeatedly fixated and reactivated by sequentially exchanging counter-anions with different photosensitivity. 

Los cristales fotónicos hechos de copolímeros de bloque que contienen hidrogeles polielectrolíticos muestran una fuerte reflexión multicolor ante la iluminación con luz del cercano UV. Debido a las características únicas de transición volumétrica de los geles hinchados, los geles fotónicos muestran una alta fotosensibilidad que puede ser ampliamente entonable por medio del intercambio de contra-aniones. Los patrones fotónicos multicolor generados por fotolitografía pueden fijarse repetidamente y pueden ser reactivados por medio de un intercambio secuencial de contra-aniones con distinta fotosensibilidad.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201103767/abstract 

HIGHLY STRETCHABLE AND TOUGH HYDROGELS

"Highly stretchable and tough hydrogels". J. -Y. Sun, X. Zhao, W. R. K. Illepurema, O. Chaudhuri, K. H. Oh, D. J. Mooney, J. J. Vlassak, Z. Suo. NATURE 489, 133 (2012). DOI: 10.1038/nature11409

Hydrogels are used as scaffolds for tissue engineering, vehicles for drug delivery, actuators for optics and fluidics, and model extracellular matrices for biological studies. The scope of hydrogel applications, however, is often severely limited by their mechanical behaviour. Most hydrogels do not exhibit high stretchability; for example, an alginate hydrogel ruptures when stretched to about 1.2 times its original length. Some synthetic elastic hydrogels have achieved stretches in the range 10–20, but these values are markedly reduced in samples containing notches. Most hydrogels are brittle, with fracture energies of about 10 J m⁻², as compared with ~1,000 J m⁻² for cartilage and ~10,000 J m⁻² for natural rubbers. Intense efforts are devoted to synthesizing hydrogels with improved mechanical properties; certain synthetic gels have reached fracture energies of 100–1,000 J m⁻². Here we report the synthesis of hydrogels from polymers forming ionically and covalently crosslinked networks. Although such gels contain ~90% water, they can be stretched beyond 20 times their initial length, and have fracture energies of ~9,000 J m⁻². Even for samples containing notches, a stretch of 17 is demonstrated. We attribute the gels’ toughness to the synergy of two mechanisms: crack bridging by the network of covalent crosslinks, and hysteresis by unzipping the network of ionic crosslinks. Furthermore, the network of covalent crosslinks preserves the memory of the initial state, so that much of the large deformation is removed on unloading. The unzipped ionic crosslinks cause internal damage, which heals by re-zipping. These gels may serve as model systems to explore mechanisms of deformation and energy dissipation, and expand the scope of hydrogel applications.

Los hidrogeles se usan como soportes para la ingeniería tisular, como vehículos para la liberación de medicamentos, como activadores ópticos y fluídicos, y como modelo de matrices extracelulares para estudios biológicos. El objetivo de las aplicaciones de los hidrogeles, sin embargo, comúnmente están limitadas por su comportamiento mecánico. La mayoría de los hidrogeles no muestran una alta flexibilidad; por ejemplo, un hidrogel algín se rompe cuando se estira cerca de 1.2 veces su longitud original. Algunos hidrogeles sintéticos alcanzan estiramientos en el intervalo 10-20, pero estos valores se reducen considerablemente en muestras que contienen agujeros. La mayoría de los hidrogeles son quebradizos, con energías de fractura de cerca de 10 J m⁻², en comparación con los ~1,000 J m⁻² de los cartílagos y los ~10,000 J m⁻² del hule natural. Se han realizado esfuerzos para sintetizar hidrogeles con propiedades mecánicas mejoradas; algunos geles han alcanzado energías de fractura de 100–1,000 J m⁻². Aquí se reporta la síntesis de hidrogeles a partir de polímeros que forman redes iónicas y covalentes entrecruzadas. A pesar de que dichos geles contienen ~90% de agua, pueden ser estirados más allá de 20 veces su longitud inicial, y tienen energías de fractura de ~9,000 J m⁻². Aún para muestras que presentan huecos, se ha demostrado un estiramiento de 17 veces su longitud original. La resistencia mecáncia de estos geles se le atribuye a la sinergia de dos mecanismos: el establecimiento de puentes entre grietas por medio de la red entrecruzada de enlaces covalentes, y la histéresis de la ruptura de la red entrecruzada de enlaces iónicos. Es más, la red entrecruzada de enlaces covalentes preserva memoria de su estado inicial, de tal modo que la deformación se remueve. La ruptura de los enlaces iónicos provoca un daño interno, que se corrige al formarse nuevamente los enlaces iónicos. Estos geles pueden servir de sistemas modelo para explorar mecanismos de deformación y de disipación de energía, y de este modo incrementar las aplicaciones de los hidrogeles.

http://www.nature.com/nature/journal/v489/n7414/full/nature11409.html