THE ADVENT OF MESOSCOPIC SOLAR CELLS

Lecture about The Advent of Mesoscopic Solar Cells, given at Georgia Tech (USA) by Prof. Michael Grätzel from the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Switzerland).

Charla acerca La llegada de las celdas solares mesoscópicas, dada en el Georgia Tech (EUA) por el Prof. Michael Grätzel de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza).

LIQUID-CRYSTAL-MEDIATED SELF-ASSEMBLY AT NANODROPLET INTERFACES

"Liquid-crystal-mediated self-assembly at nanodroplet interfaces". J. A. Moreno-Razo, E. J. Sambriski, N. L. Abbott, J. P. Hernández-Ortiz, J. J. de Pablo. NATURE 485, 86 (2012). DOI: 10.1038/nature11084

Technological applications of liquid crystals have generally relied on control of molecular orientation at a surface or an interface. Such control has been achieved through topography, chemistry and the adsorption of monolayers or surfactants. The role of the substrate or interface has been to impart order over visible length scales and to confine the liquid crystal in a device. Here, we report results from a computational study of a liquid-crystal-based system in which the opposite is true: the liquid crystal is used to impart order on the interfacial arrangement of a surfactant. Recent experiments on macroscopic interfaces have hinted that an interfacial coupling between bulk liquid crystal and surfactant can lead to a two-dimensional phase separation of the surfactant at the interface, but have not had the resolution to measure the structure of the resulting phases. To enhance that coupling, we consider the limit of nanodroplets, the interfaces of which are decorated with surfactant molecules that promote local perpendicular orientation of mesogens within the droplet. In the absence of surfactant, mesogens at the interface are all parallel to that interface. As the droplet is cooled, the mesogens undergo a transition from a disordered (isotropic) to an ordered (nematic or smectic) liquid-crystal phase. As this happens, mesogens within the droplet cause a transition of the surfactant at the interface, which forms new ordered nanophases with morphologies dependent on surfactant concentration. Such nanophases are reminiscent of those encountered in block copolymers, and include circular, striped and worm-like patterns.

Las aplicaciones tecnológicas de los cristales líquidos generalmente están dedicadas al control de la orientación molecular en una superficie o en una interfaz. Tal control se ha logrado a través de la topografía, la química y la adsorción de monocapas o de tensoactivos. El papel del substrato o de la interfaz es el de llevar el ordenamiento a escalas de longitud visible y el de confinar al cristal líquido en algún dispositivo. Aquí se reportan resultados provenientes de un estudio computacional de un sistema basado en cristales líquidos, en el cual también es cierto lo opuesto: los cristales líquidos son usados para inducir ordenamientos sobre los arreglos interfaciales de un tensoactivo. Experimentos recientes en interfaces macroscópicas indican que un acoplamiento interfacial entre el cristal líquido en bulto y el tensoactivo puede originar una separación de fase bidimensional del tensoactivo en la interface, pero no se ha tenido la resolución necesaria para medir la estructura de las fases resultantes. Para aumentar el acoplamiento se considera el caso límite de nanogotas, cuyas interfaces están decoradas con tensoactivos que inducen la orientación perpendicular local de los mesógenos en las gotas. En ausencia de tensoactivos, los mesógenos en la interfaz se encuentran todos paralelos a la interfaz misma. Conforme las gotas se enfrían, los mesógenos experimentan una transición desde una fase desordenada (isotrópica) hacia una fase ordenada (nemática o smética). Conforme esto ocurre, los mesógenos de las gotas provocan una transición de los tensoactivos en la interfaz, lo cual da lugar a nuevas nanofases ordenadas con morfologías que dependen de la concentración de los tensoactivos. Tales nanofases son reminiscencias de aquellas encontradas en los copolímeros de bloque, e incluyen arreglos circulares, en forma de franjas o en forma de gusanos.

http://www.nature.com/nature/journal/v485/n7396/full/nature11084.html

OPTICS AND OPTOELECTRONICS CICESE SUMMER SCHOOL 2012

Escuela de verano en óptica y optoelectrónica en el CICESE (Ensenada, México).

http://eventos.cicese.mx/verano-optica/index.html

NEW CLATHRIN-BASED NANOPLATFORMS FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING

  

"New Clathrin-Based Nanoplatforms for Magnetic Resonance Imaging". G. D. Vitaliano, F. Vitaliano, J. D.  Rios, P. F. Renshaw, M. H. Teicher. PLoS ONE 7,  e35821 (2012). 

DOI:10.1371/journal.pone.0035821

Magnetic Resonance Imaging (MRI) has high spatial resolution, but low sensitivity for visualization of molecular targets in the central nervous system (CNS). Our goal was to develop a new MRI method with the potential for non-invasive molecular brain imaging. We herein introduce new bio-nanotechnology approaches for designing CNS contrast media based on the ubiquitous clathrin cell protein.

The first approach utilizes three-legged clathrin triskelia modified to carry 81 gadolinium chelates. The second approach uses clathrin cages self-assembled from triskelia and designed to carry 432 gadolinium chelates. Clathrin triskelia and cages were characterized by size, structure, protein concentration, and chelate and gadolinium contents. Relaxivity was evaluated at 0.47 T. A series of studies were conducted to ascertain whether fluorescent-tagged clathrin nanoplatforms could cross the blood brain barriers (BBB) unaided following intranasal, intravenous, and intraperitoneal routes of administration. Clathrin nanoparticles can be constituted as triskelia (18.5 nm in size), and as cages assembled from them (55 nm). The mean chelate: clathrin heavy chain molar ratio was 27.04±4.8: 1 for triskelia, and 4.2±1.04: 1 for cages. Triskelia had ionic relaxivity of 16 mM⁻¹s⁻¹, and molecular relaxivity of 1,166 mM⁻¹s⁻¹, while cages had ionic relaxivity of 81 mM⁻¹s⁻¹ and molecular relaxivity of 31,512 mM⁻¹s⁻¹. Thus, cages exhibited 20 times higher ionic relaxivity and 8,000-fold greater molecular relaxivity than gadopentetate dimeglumine. Clathrin nanoplatforms modified with fluorescent tags were able to cross or bypass the BBB without enhancements following intravenous, intraperitoneal and intranasal administration in rats.

Use of clathrin triskelia and cages as carriers of CNS contrast media represents a new approach. This new biocompatible protein-based nanotechnology demonstrated suitable physicochemical properties to warrant further in vivo imaging and drug delivery studies. Significantly, both nanotransporters crossed and/or bypassed the BBB without enhancers. Thus, clathrin nanoplatforms could be an appealing alternative to existing CNS bio-nanotechnologies.

La Imagenología por Resonancia Magnética (MRI) tiene una alta resolución espacial, pero una baja sensibilidad para la visualización de objetivos moleculares en el sistema nervioso central (CNS). El objetivo de este trabajo fue desarrollar un nuevo método MRI para su uso potencial en imagenología molecular y no invasiva del cerebro. Aquí se introduce una nueva estrategia de bio-nanotecnología para el diseño de medios de contraste CNS, basado en la clatrina, una abundante proteína celular. Un primer intento utiliza clatrina trisquelia de tres brazos modificada para portar 81 quelantes de gadolinio. Un segundo intento utiliza jaulas de clatrina autoensambladas a partir de trisquelia y diseñadas para portar 432 quelantes de gadolinio. El tamaño, estructura, concentración de proteínas y el contenido de quelantes y de gadolinio en las clatrina trisquelia y en las jaulas fueron caracterizados. La relaxividad fue evaluada a 0.47 T. Se llevó a cabo una serie de estudios para determinar en qué casos las nanoplataformas de clatrina, marcadas fluorescentemente, pueden cruzar sin ayuda las barreras de sangre del cerebro (BBB), siguiendo rutas de administración intranasales, intravenosas e intraperitoneales. Las nanopartículas de clatrina pueden tener forma de trisquel (18.5 nm de tamaño) o de jaulas autoensambladas a partir de la forma de trisquel (55 nm). En promedio quelan: la razón molar de la cadena pesada de clatrina fue de 27.04±4.8: 1 para la forma de trisquel, y de 4.2±1.04: 1 para las jaulas. La trisquelia tiene una relaxividad iónica de 16 mM⁻¹s⁻¹, y una relaxividad molecular de 1,166 mM⁻¹s⁻¹, mientras que las jaulas tienen una relaxividad iónica de 81 mM⁻¹s⁻¹ y una relaxividad molecular de 31,512 mM⁻¹s⁻¹. Así, las jaulas muestran una relaxividad iónica y una relaxividad molecular 20 y 8,000 veces mayores que la gadopentatato dimeglumina, respectivamente. Las plataformas de clatrina modificada con etiquetas fluorescentes fueron capaces de atravesar la BBB sin agentes auxiliares mediante administración intravenosa, intraperitoneal e intranasal en ratas. El uso de clatrina trisquelia y de las jaulas como portadores del medio de contraste CNS representa una nueva estrategia. Esta nueva nanotecnología biocompatible basada en proteínas demuestra las propiedades fisicoquímicas disponibles para garantizar su estudio futuro en imagenología in vivo y en liberación de fármacos. Es de notar que ambos nanoportadores atraviesan la BBB sin la necesidad de agentes auxiliares. Así, las nanoplataformas de clatrina resultan una alternativa a las bio-nanotecnologías CNS existentes. 

http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0035821 

BROADBAND GRAPHENE TERAHERTZ MODULATORS ENABLED BY INTRABAND TRANSITIONS

"Broadband graphene terahertz modulators enabled by intraband transitions". B. Sensale-Rodríguez, R. Yan, M. M. Kelly, T. Fang, K. Tahy, W. S. Hwang, D. Jena, L. Liu, H. G. Xing. NATURE COMMUNICATIONS 3, 780 (2012). DOI: 10.1038/ncomms1787

Terahertz technology promises myriad applications including imaging, spectroscopy and communications. However, one major bottleneck at present for advancing this field is the lack of efficient devices to manipulate the terahertz electromagnetic waves. Here we demonstrate that exceptionally efficient broadband modulation of terahertz waves at room temperature can be realized using graphene with extremely low intrinsic signal attenuation. We experimentally achieved more than 2.5 times superior modulation than prior broadband intensity modulators, which is also the first demonstrated graphene-based device enabled solely by intraband transitions. The unique advantages of graphene in comparison to conventional semiconductors are the ease of integration and the extraordinary transport properties of holes, which are as good as those of electrons owing to the symmetric conical band structure of graphene. Given recent progress in graphene-based terahertz emitters and detectors, graphene may offer some interesting solutions for terahertz technologies.

La tecnología en la región de los terahertz promete una multidud de aplicaciones que incluyen imagenología, espectroscopia y comunicaciones. Sin embargo, uno de los mayores cuellos de botella que actualmente se presentan para el avance de este campo es la falta de dispositivos eficientes que permitan manipular ondas electromagnéticas de terahertz. Aquí se demuestra que utilizando grafeno se puede realizar a temperatura ambiente una modulación excepcionalmente eficiente de banda ancha de ondas en la región de los terahertz, con una señal de atenuación intrínseca extremadamente baja. Se obtuvo experimentalmente una modulación 2.5 veces superior a la de moduladores anteriores de intensidad de banda ancha, y que también es la primera ves que se demuestra en un dispositivo basado en grafeno que funciona solamente a partir de transiciones intrabanda. Las ventajas únicas que ofrece el grafeno en comparación a los semiconductores convencionales quedan representadas por su fácil integración y las extraordinarias propiedades en el transporte de huecos, que son tan buenas como la que los electrones le deben a la estructura de bandas cónica y simétrica del grafeno. Dado el avance reciente en los emisores y detectores basados en grafeno para la región de los terahertz, el grafeno puede ofrecer soluciones interesantes a la tecnología en la región de los terahertz.

http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n4/full/ncomms1787.html