Les auteurs reconnaissent le soutien et le financement du GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Nous remercions le professeur L. Patricia Hernandez du Département des sciences biologiques de l’Université George Washington d’avoir inspiré l’enquête et la collaboration continue, d’avoir fourni une expertise biologique sur la physiologie de la carpe argentée et d’avoir fourni les échantillons de mucus. Nous remercions les étudiants, M. David Palumbo, Mme Carly Cohen, M. Isaac Finberg, M. Dominick Petrosino, M. Alexis Renderos, Mme Priscilla Varghese, M. Carter Tegen et M. Raghav Pajjur pour leur aide dans le laboratoire et M. Thomas Evans et M. James Thomas de TA Instruments, New Castle, DE pour leur soutien à la formation et à l’entretien du rhéomètre. Les images des figures 5A,C ont été prises lors d’une dissection effectuée par le professeur L. Patricia Hernandez du Département des sciences biologiques de l’Université George Washington.

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Aucun conflit d’intérêts n’a été déclaré.

L’un des principaux objectifs de l’élaboration de ce protocole est d’établir qu’il est bien adapté à la caractérisation rhéologique du mucus GR lorsque de très petits volumes d’échantillons sont disponibles. Nous reconnaissons que davantage d’échantillons provenant d’un groupe de carpes argentées sont nécessaires pour caractériser pleinement les propriétés rhéologiques du mucus GR et les données présentées ici ne sont pas une généralisation à l’ensemble de la population de carpes arge...

La carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix,est un filtreur planctonivore et une espèce envahissante qui s’est infiltrée dans plusieurs cours d’eau naturels aux États-Unis. Cette espèce a été initialement introduite dans le bassin supérieur du Mississippi pour contrôler les proliférations d’algues1,2,3. La carpe argentée est un alimentateur extrêmement efficace. Typiquement, ses tailles de particules alimentaires consommables vont de 4 à 20 μm à un zooplancton plus grand qui est d’environ 80 μm3,4,5. Cette espèce a surpassé les autres poissons indigènes et peut potentiellement causer d’énormes dommages aux cours d’eau indigènes en limitant les ressources disponibles1,2,6. Ainsi, les poissons filtres tels que la carpe argentée et la carpe à grosse tête constituent une menace majeure pour les Grands Lacs1,2,6,7,8.
Les poissons filtreurs possèdent des organes spéciaux appelés râteaux branchiaux (GR) avec une fine couche de mucus résidant à leur surface. Ces organes améliorent l’efficacité de la filtration et de l’agrégation des petites particules du fluide entrant. L’objectif du protocole présenté ici est de caractériser la propriété non newtonienne du matériau d’amincissement par cisaillement et la contrainte d’élasticité du mucus GR acquis à partir de la surface interne des râteaux branchiaux de la carpe argentée. La valeur de la limite d’élasticité du GLaire GR, déterminée à l’aide d’un rhéomètre rotatif, est intéressante dans cette étude. La limite d’élasticité mesurée, également appelée « contrainte d’élasticité apparente », dépend des méthodes d’essai telles que la vitesse de cisaillement constante ou la déformation oscillatoire dynamique de type9,10. L’amincissement par cisaillement, « fluide de contrainte d’élasticité », subit une transition d’un comportement de type solide à un comportement de type liquide à une contrainte critique appliquée9,11. La limite d’élasticité apparente est la contrainte de cisaillement minimale requise pour initier l’écoulement ou celle à laquelle une déformation irréversible du plastique est observée pour la première fois lorsque le mucus passe d’un matériau semblable à un gel à un matériau de type fluide. Ce comportement peut être observé dans les matériaux viscoélastiques structurés. La transition du mucus gélifiant à un comportement fluide implique deux fonctions, à voir un rôle adhésif pour recueillir les particules alimentaires et un rôle de véhicule de transport pour aider au processus de livraison et de filtration des particules. La fonction étendue du mucus comprend la création de barrières de diffusion dans la résistance aux maladies et la respiration, la libération contrôlée de facteurs nutritionnels, de composants toxiques et d’excrétion, la création de voies métaboliques pour l’alimentation et la nidification, l’aide à la protection des prédateurs et la production de modifications de la couche limite qui améliorent la locomotion et l’efficacité propulsive12,13,14.
Contrairement aux fluides simples, les fluides complexes comme le mucus possèdent des propriétés qui varient en fonction des conditions d’écoulement et nécessitent des paramètres de mesure supplémentaires pour définir leur comportement physique à l’échelle de masse. Pour surveiller la viscosité et la limite d’élasticité du mucus GR, des mesures rhéologiques sont effectuées à l’aide d’un rhéomètre rotatif. Le rhéomètre rotatif applique une contrainte ou une déformation de cisaillement stable ou oscillatoire au moyen d’un disque rotatif en contact avec l’échantillon de fluide et mesure sa réponse. La raison d’être de l’utilisation de cet instrument et de cette technique est que le rhéomètre peut fournir un ensemble de mesures pour décrire les propriétés matérielles du mucus GR de la carpe argentée, qui ne peuvent pas être définies par la viscosité seule.
Le mucus est un matériau viscoélastique et sa réponse mécanique à une déformation imposée est comprise entre celle d’un solide pur (régi par la loi d’élasticité de Hooke) et celle d’un liquide pur (régi par la loi de viscosité de Newton)15,16. Le réseau macromoléculaire complexe contenu dans le mucus peut s’étirer et se réorienter en réponse à des forces externes ou à une déformation. Un rhéomètre rotatif est composé d’une géométrie de cône et d’une plaque de Peltier comme illustré à la Figure 1 et à la Figure 2 (voir le tableau 1 pour les spécifications d’instrumentation). L’objectif de cette étude était de développer un protocole pour déterminer les propriétés rhéologiques du mucus GR. Un avantage du rhéomètre rotatif par rapport à un viscosimètre est sa capacité à effectuer des mesures dynamiques en utilisant de petits volumes d’échantillons. Le volume d’échantillon de mucus GR dans cette étude était d’environ 1,4 mL. Le viscosimètre, en revanche, est limité à des taux de cisaillement constants et nécessite de grands volumes d’échantillons.
Les propriétés rhéologiques du mucus devraient varier considérablement au sein de l’anatomie de la carpe argentée. Par exemple, les propriétés du mucus résidant sur les surfaces GR peuvent être différentes de celles de l’organe épibranchial. Pour tenir compte de la variabilité potentielle des propriétés du mucus dans différentes régions du poisson, l’échantillon de mucus GR acquis a été dilué et des solutions de trois concentrations ont été créées et testées à l’aide du rhéomètre rotatif. Les données et les résultats concernant la rhéologie du mucus rapportés après l’exécution du protocole ont démontré l’efficacité de la technique de mesure. Les données illustratives présentées dans le présent document ne sont pas destinées à être généralisées à l’ensemble de la population de carpes argentées. Le protocole présenté ici peut être étendu pour étudier la rhéologie du mucus sur des ensembles d’échantillons plus grands afin de tester d’autres hypothèses.
Le but de cette étude est de démontrer la variation des propriétés rhéologiques de la rhéologie du mucus GR avec trois concentrations de mucus différentes (400 mg/mL, 200 mg/mL et 100 mg/mL). La concentration de 400 mg/mL représente l’échantillon de mucus brut prélevé dans les GR de poisson. De l’eau désionisée (ID) a été utilisée pour diluer l’échantillon de mucus brut en concentrations de 200 mg/mL et 100 mg/mL. La dilution des échantillons de mucus a permis d’évaluer le degré d’amincissement par cisaillement et la limite d’élasticité apparente en fonction de la concentration et de déterminer la concentration à laquelle le mucus GR passe à un comportement non newtonien. Un agitateur a été utilisé pour décomposer les gros amas de mucus dans les échantillons afin d’atténuer les erreurs dans les données rhéologiques dues à l’inhomogénéité.
Chez la plupart des vertébrés, y compris les poissons, les macromolécules formant du mucus prédominants sont des glycoprotéines (mucines) qui ont tendance à gonfler dans l’eau par enchevêtrements ou réticulation chimique et à créer un matériau semblable à un gel12,13,17,18,19,20. Les macromolécules de haut poids moléculaire, formant des gels et la teneur élevée en eau reflètent la gélinance du mucus13. Un degré élevé d’interactions inter-macromoléculaires conduit à la formation de gel alors que des niveaux plus faibles d’interactions inter-macromoléculaires ou de liaisons rompues entraînent des fluides à haute viscosité21.
Les processus de filtration des particules alimentaires dans les poissons filtreurs sont aidés par des propriétés liées au mucus GR telles que la cohésion et la viscosité qui déterminent son potentiel d’adhérence et d’adhérence22. La force de l’adhérence à base de mucus dépend d’interactions intermoléculaires, électrostatiques ou hydrophobes spécifiques23. Sanderson et al.24 ont mené une étude d’alimentation en suspension chez le poisson noir dans laquelle ils ont trouvé des preuves d’une adhésion à base de mucus. Ils ont déclaré que l’adhésion des particules alimentaires en suspension avec une surface muqueuse est suivie du transport d’amas agrégés de particules liées ensemble au mucus par un écoulement d’eau dirigé agissant sur celui-ci24. Le mucus exposé aux taux de déformation de cisaillement générés par l’écoulement de l’eau facilite l’administration de particules alimentaires aux organes digestifs. Des techniques endoscopiques ont été utilisées pour observer les particules filtrées24.
La littérature sur la gamme des taux de cisaillement et les limites pratiques dans les tests rhéologiques du mucus GR est rare. Par conséquent, des conseils ont été recherchés à partir d’études rhéologiques sur la glaire gastrique, nasale, cervicale et pulmonaire, le mucus de la peau de saumon, la boue de poisson et le lubrifiant de surface des articulations osseuses dans lesquelles la caractérisation rhéologique et les attributs non newtoniens ont été étudiés11,12,25,26,27, 28,29,30,31. Plus récemment, l’effet du mucus de la peau de poisson sur la locomotion et l’efficacité propulsive a été étudié en utilisant la viscométrie à taux de cisaillement constant. Les études de rhéologie du mucus cutané (sans aucune dilution ni homogénéisation) concernant la daurade, le bar et le maigre comportement non newtonien ont démontré un comportement non newtonien à des taux de cisaillement généralement faibles14.  Dans une autre étude connexe, les échantillons de mucus cutané brut des côtés dorsal et ventral de la sole sénégalaise se sont avérés présenter un comportement non newtonien, indiquant une viscosité plus élevée du mucus ventral à tous les taux de cisaillement considérés32. D’autres protocoles rhéologiques relatifs au développement de l’échafaudage d’hydrogel et pour les suspensions hautement concentrées utilisant un viscosimètre à vitesse de cisaillement constante ont également été rapportés dans la littérature33,34.
Dans cette étude, les propriétés du mucus GR ont été étudiées à l’aide d’un rhéomètre rotatif contrôlé par taux de déformation qui a été largement utilisé dans des expériences de rhéologie sur des fluides biologiques complexes25. Pour les fluides newtoniens, la viscosité apparente reste constante, est indépendante de la vitesse de cisaillement et les contraintes de cisaillement varient linéairement avec les taux de déformation de cisaillement (Figure 3A, B). Pour les fluides non newtoniens (tels que les fluides d’amincissement par cisaillement), la viscosité dépend du taux de cisaillement ou de l’historique de déformation (Figure 3A, B). Le module de perte (G ») représente la mesure dans laquelle le matériau résiste à la tendance à l’écoulement et est représentatif de la viscosité du fluide(Figure 4). Le module de stockage (G') représente la tendance du matériau à retrouver sa forme d’origine après une déformation induite par les contraintes et est équivalent à l’élasticité (Figure 4). L’angle de phase (δ) ou la valeur de la tangente de perte, est calculé à partir de la tangente inverse de G"/G'. Il représente l’équilibre entre perte d’énergie et stockage et est également un paramètre commun pour caractériser les matériaux viscoélastiques (δ = 0° pour un solide hookéen; δ = 90° pour un liquide visqueux; δ < 45° pour un solide viscoélastique et δ > 45° pour un liquide viscoélastique)(Figure 4)25. La limite d’élasticité apparente (σy)dans les fluides structurés représente un changement d’état qui peut être observé dans les données rhéologiques à partir du balayage à l’état d’équilibre et des balayages dynamiques contrainte-déformation10. Si la contrainte externe appliquée est inférieure à la limite d’élasticité apparente, le matériau se déformera élastiquement. Lorsque la contrainte dépasse la limite d’élasticité apparente (marquée comme « contrainte moyenne » à la figure 3B), le matériau passe de la déformation élastique à la déformation plastique et commence à s’écouler à l’état liquide35. La mesure du module de stockage (G') et du module de perte (G ») dans l’échantillon de mucus dans des conditions de contrainte oscillatoire (ou de déformation) quantifie le changement de l’état du matériau d’un comportement semblable à un gel à un comportement viscoélastique de type liquide.
Les types d’essais de rhéomètre effectués pour surveiller les données relatives au module de stockage (G'), au module de perte (G ») et à la viscosité apparente (η) sont décrits ici. Les essais d’oscillation dynamique (balayages de déformation et balayages de fréquence) ont surveillé G' et G » sous oscillation contrôlée de la géométrie du cône. Les essais de balayage de déformation dynamique ont déterminé la région viscoélastique linéaire (LVR) du mucus en surveillant la réponse intrinsèque du matériau(Figure 4). Des balayages de déformation ont été utilisés pour déterminer le comportement de rendement à une fréquence d’oscillation et une température constantes. Les essais de balayage dynamique de fréquence ont surveillé la réponse du matériau à l’augmentation de la fréquence (taux de déformation) à une amplitude (déformation ou contrainte) et à une température constantes. La déformation a été maintenue dans la région viscoélastique linéaire (LVR) pour les essais de balayage dynamique de fréquence. Les essais de vitesse de cisaillement à l’état d’équilibre ont surveillé la viscosité apparente (η) sous rotation constante de la géométrie du cône. Le mucus GR a été soumis à des étapes de contrainte incrémentielles et la viscosité apparente (η, Pa.s) a été surveillée pour une vitesse de cisaillement variable (ý, 1/s).
Le protocole présenté dans cet article traite le mucus GR comme un matériau structuré complexe de viscoélasticité inconnue avec une certaine gamme de réponse viscoélastique linéaire. Le mucus de poisson a été extrait des RON de la carpe argentée lors d’une expédition de pêche à l’emplacement du ruisseau Hart dans la rivière Missouri par le professeur L. Patricia Hernandez (Département des sciences biologiques, Université George Washington) 1,2,36.  Un tableau de GO à l’intérieur de l’embouchure d’une carpe argentée est représenté à la figure 5A et un dessin schématique est présenté à la figure 5B. Un GR excisé est représenté à la figure 5C.  L’extraction du mucus des GN de la carpe argentée est présentée à titre d’exemple dans les dessins schématiques, Figure 5D, E. Tous les essais rhéométriques ont été effectués sous une température constante et contrôlée de 22 ± 0,002 °C, la température enregistrée sur le site de pêche1,2,36.  Chaque échantillon de mucus a été testé trois fois avec le rhéomètre, et les résultats moyens sont présentés avec les barres d’erreur statistiques.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:888px;" width="887">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Materials</td>
			<td style="width:245px;"></td>
			<td style="width:191px;"></td>
			<td style="width:261px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Kim Wipes</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">470224-038</td>
			<td style="width:261px;">To clean Sample from plate</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Gloves</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89428-750</td>
			<td style="width:261px;">To prevent contamination of sample</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89079-974</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Pipette Tips</td>
			<td style="width:245px;">Thermo Scientific</td>
			<td style="width:191px;">72830-042</td>
			<td style="width:261px;">To transport sample from vial to rheometer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Shaker</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89032-094</td>
			<td style="width:261px;">To homogenously mix sample of mucus</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Vials</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">66008-710</td>
			<td style="width:261px;">Contains measured sample volumes</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Weigh Scale</td>
			<td style="width:245px;">Ohaus</td>
			<td style="width:191px;">Scout &#8211;SPX Balances</td>
			<td style="width:261px;">To weigh mass of mucus samples</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Chemical Reagents</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">De-Ionized Water (H20)</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Sterile 70% Isopropanol (C3H8O)</td>
			<td style="width:245px;">VWR</td>
			<td style="width:191px;">89108-162</td>
			<td style="width:261px;">Liquid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">GR Mucus</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">100 mg/mL concentration, 2mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">400 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:191px;">200 mg/mL concentration, 1mL</td>
			<td style="width:245px;">-</td>
			<td style="width:191px;">-</td>
			<td style="width:261px;">Viscoelastic Material</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:191px;">Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">MATLAB</td>
			<td style="width:245px;">Mathworks</td>
			<td style="width:191px;">R2017a</td>
			<td style="width:261px;">Data analysis, post-processing and graphical representation</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Trios</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td style="width:191px;">v4.5.042498</td>
			<td style="width:261px;">Rheometer instrument control and analysis software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix

La carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix,est un poisson filtre planktivore envahissant qui a infesté les cours d’eau naturels du bassin supérieur du Mississippi en raison de son mécanisme d’alimentation par filtre très efficace. Les organes caractéristiques appelés râteaux branchiaux (GR), que l’on trouve dans de nombreux filtreurs de ce type, facilitent la filtration efficace des particules alimentaires telles que le phytoplancton de quelques microns.
La motivation pour étudier la rhéologie du mucus GR provient de notre désir de comprendre son rôle dans l’aide au processus d’alimentation par filtre chez la carpe argentée. Le liquide riche en mucus, dans un état « épais et collant » peut faciliter l’adhésion des particules alimentaires. La perméation et le transport à travers la membrane GR sont facilités par l’action de forces de cisaillement externes qui induisent des taux de déformation de cisaillement variables. Par conséquent, la rhéologie du mucus peut fournir un indice vital sur la nature extrêmement compensante de la carpe argentée dans le bassin de poissons filtreurs. Sur cette base, il a été postulé que le mucus GR peut fournir une fonction adhésive aux particules alimentaires et agir comme un véhicule de transport pour aider au processus d’alimentation par filtre.
L’objectif principal du protocole est de déterminer la limite d’élasticité du mucus, attribuée à la contrainte de cisaillement minimale requise pour initier l’écoulement à laquelle une déformation plastique irréversible est observée pour la première fois sur un matériau viscoélastique structuré. En conséquence, les propriétés rhéologiques du mucus GR, c’est-à-dire la viscosité, le stockage et les modules de perte, ont été étudiées pour sa nature non newtonienne, amincissante par cisaillement, à l’aide d’un rhéomètre rotatif.
Un protocole présenté ici est utilisé pour analyser les propriétés rhéologiques du mucus extrait des râteaux branchiaux d’une carpe argentée, pêchée à l’emplacement de Hart Creek de la rivière Missouri. Le protocole vise à développer une stratégie efficace pour les tests rhéologiques et la caractérisation matérielle du mucus supposé être un matériau viscoélastique structuré.

Dans cette section, nous présentons les résultats des expériences sur le mucus GR à l’aide d’un rhéomètre rotatif avec une géométrie de cône (40 mm de diamètre, 1° 0' 11'') et une plaque de Peltier. Les expériences ont aidé à caractériser le comportement non newtonien d’amincissement par cisaillement du mucus GR et la contrainte d’élasticité apparente représentant la transition du mucus d’un matériau semblable à un gel à un matériau de type fluide. Les résultats représentatifs comprennen...

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Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

Ce protocole présente une méthode pour effectuer la caractérisation rhéologique du mucus qui réside sur les râteaux branchiaux (GR) de la carpe argentée. Les caractéristiques viscoélastiques du MUCUS GR, obtenues en mesurant la viscosité, le stockage et les modules de perte, sont évaluées pour la limite d’élasticité apparente afin de comprendre le mécanisme d’alimentation du filtre dans les GR.

Caractérisation macro-rhéologique du mucus gill raker chez la carpe argentée, Hypophthalmichthys molitrix

The silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, is an invasive planktivorous filter feeder fish that infested the natural waterways of the upper Mississippi ...

macro-rheology-characterization-gill-raker-mucus-silver-carp

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Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

3.0K vues.  The George Washington University. Ce protocole présente une méthode pour effectuer la caractérisation rhéologique du mucus qui réside sur les râteaux branchiaux (GR) de la carpe argentée. Les caractéristiques viscoélastiques du MUCUS GR, obtenues en mesurant la viscosité, le stockage et les modules de perte, sont évaluées pour la limite d’élasticité apparente afin de comprendre le mécanisme d’alimentation du filtre dans les GR.

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A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Une méthode pour fabriquer des nanostructures d&#39;argent déconnectés en 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Recherche

Ingénierie

Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information support1,2,3. In this context, metal nanowires are especially desirable for realizing dense routing networks4. A prerequisite to operate such shared nanowire-based platform relies on our ability to electrically contact individual metal nanowires and efficiently excite surface plasmon polaritons5 in this information support. In this article, we describe a protocol to bring electrical terminals to chemically-synthesized silver nanowires6 randomly distributed on a glass substrate7. The positions of the nanowire ends with respect to predefined landmarks are precisely located using standard optical transmission microscopy before encapsulation in an electron-sensitive resist. Trenches representing the electrode layout are subsequently designed by electron-beam lithography. Metal electrodes are then fabricated by thermally evaporating a Cr/Au layer followed by a chemical lift-off. The contacted silver nanowires are finally transferred to a leakage radiation microscope for surface plasmon excitation and characterization8,9. Surface plasmons are launched in the nanowires by focusing a near infrared laser beam on a diffraction-limited spot overlapping one nanowire extremity5,9. For sufficiently large nanowires, the surface plasmon mode leaks into the glass substrate9,10. This leakage radiation is readily detected, imaged, and analyzed in the different conjugate planes in leakage radiation microscopy9,11. The electrical terminals do not affect the plasmon propagation. However, a current-induced morphological deterioration of the nanowire drastically degrades the flow of surface plasmons. The combination of surface plasmon leakage radiation microscopy with a simultaneous analysis of the nanowire electrical transport characteristics reveals the intrinsic limitations of such plasmonic circuitry.

Silver nanowires can simultaneously transport electrons and optical information in the form of surface plasmons. A procedure is described here to realize such a shared circuitry and the limitations at propagating both information carriers are evaluated.

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and Titanium Sapphire lasers as the workhorse laser of atomic physics labs1,2. Their versatility and prolific use throughout atomic physics in applications such as absorption spectroscopy and laser cooling1,2 makes it imperative for incoming students to gain a firm practical understanding of these lasers. This publication builds upon the seminal work by Wieman3, updating components, and providing a video tutorial. The setup, frequency locking and performance characterization of an ECDL will be described. Discussion of component selection and proper mounting of both diodes and gratings, the factors affecting mode selection within the cavity, proper alignment for optimal external feedback, optics setup for coarse and fine frequency sensitive measurements, a brief overview of laser locking techniques, and laser linewidth measurements are included.

This is an instructional paper to guide the construction and diagnostics of external cavity diode lasers (ECDLs), including component selection and optical alignment, as well as the basics of frequency reference spectroscopy and laser linewidth measurements for applications in the field of atomic physics.

Construction et caractérisation des lasers externes cavité Diode de physique atomique

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via stereotactic radiotherapy where positioning accuracy allows delivering very high doses per fraction in a small volume of the patient. Dosimetric measurements on medical accelerators are conventionally realized using air-filled ionization chambers. However, in small beams these are subject to nonnegligible perturbation effects. This study focuses on liquid ionization chambers, which offer advantages in terms of spatial resolution and low fluence perturbation. Ion recombination effects are investigated for the microLion detector (PTW) used with the Cyberknife system (Accuray). The method consists of performing a series of water tank measurements at different source-surface distances, and applying corrections to the liquid detector readings based on simultaneous gaseous detector measurements. This approach facilitates isolating the recombination effects arising from the high density of the liquid sensitive medium and obtaining correction factors to apply to the detector readings. The main difficulty resides in achieving a sufficient level of accuracy in the setup to be able to detect small changes in the chamber response.

A growing number of radiation therapy devices offer the advantage of delivering the dose through very small beams to the tumor, allowing for increased conformity and higher doses per fraction. Many different detectors can be used for the dosimetry of these small fields. In the present study, the effect of ion recombination is investigated for a liquid ionization chamber using a stereotactic radiation therapy system.

Caractérisation des effets recombinaison dans une Chambre d&#39;ionisation liquide utilisé pour la dosimétrie d&#39;un accélérateur de radiochirurgie

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Patterning par Transitions Optical saturable - Fabrication et caractérisation

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities &#8211; high spatial resolution and richness of microstructural data &#8211; with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Electron Canalisation imagerie de contraste pour Rapid III-V hétéroépitaxiale Caractérisation

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Intégration de la Lumière de piégeage argent Nanostructures dans hydrogénée microcristalline cellules solaires en silicium par impression par transfert

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Production of Synthetic Nuclear Melt Glass

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we outline a novel process for producing bulk surface debris using a high temperature furnace. The material developed in this study is physically and chemically similar to trinitite (the melt glass produced by the first nuclear test). This synthetic nuclear melt glass is assumed to be similar to the vitrified material produced near the epicenter (ground zero) of any surface nuclear detonation in a desert environment. The process outlined here can be applied to produce other types of nuclear melt glass including that likely to be formed in an urban environment. This can be accomplished by simply modifying the precursor matrix to which this production process is applied. The melt glass produced in this study has been analyzed and compared to trinitite, revealing a comparable crystalline morphology, physical structure, void fraction, and chemical composition.

A protocol for the production of synthetic nuclear melt glass, similar to trinitite, is presented.

Production de synthétique fondre le verre nucléaire

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we ...

A Fabrication Method for Highly Stretchable Conductors with Silver Nanowires

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of stretchable electronic devices is the preparation of stretchable conductors with great mechanical stability. In this study, we developed a simple fabrication method to chemically solder the contact points between silver nanowire (AgNW) networks. AgNW nanomesh was first deposited on a glass slide via spray coating method. A reactive ink composed of silver nanoparticle (AgNPs) precursors was applied over the spray coated AgNW thin films. After heating for 40 min, AgNPs were preferentially generated over the nanowire junctions to solder the AgNW nanomesh, and reinforced the conducting network. The chemically modified AgNW thin film was then transferred to polyurethane (PU) substrates by casting method. The soldered AgNW thin films on PU exhibited no obvious change in electrical conductivity under stretching or rolling process with elongation strains up to 120%.

A simple synthesis method is used to chemically solder silver nanowire thin film to fabricate highly stretchable and conductive metal conductors.

Un procédé de fabrication pour les conducteurs hautement extensible avec de l&#39;argent nanofils

Stretchable electronics are identified as a key technology for electronic applications in the next generation. One of the challenges in fabrication of ...

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the manifold requirements during processing and application of such complex fluids. In this investigation, measuring protocols for a conclusive assessment of different process relevant rheological parameters have been evaluated. This includes the determination of yield stress, viscosity, wall slip velocity, structural recovery after large deformation and elongation at break as well as tensile force during filament stretching.
The importance of concomitant video recordings during parallel-plate rotational rheometry for a significant determination of rheological quantities is demonstrated. The deformation profile and flow field at the sample edge can be determined using appropriate markers. Thus, measurement parameter settings and plate roughness values can be identified for which yield stress and viscosity measurements are possible. Slip velocity can be measured directly and measuring conditions at which plug flow, shear banding or sample spillover occur can be identified clearly. 
Video recordings further confirm that the change in shear moduli observed during three stage oscillatory shear tests with small deformation amplitude in stage I and III but large oscillation amplitude in stage II can be directly attributed to structural break down and recovery. For the pastes investigated here, the degree of irreversible, shear-induced structural change increases with increasing deformation amplitude in stage II until a saturation is reached at deformations corresponding to the crossover of G' and G'', but the irreversible damage is independent of the duration of large amplitude shear. 
A capillary breakup elongational rheometer and a tensile tester have been used to characterize deformation and breakup behavior of highly filled pastes in uniaxial elongation. Significant differences were observed in all experiments described above for two commercial screen-printing silver pastes used for front side metallization of Si-solar cells.

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &amp;#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A protocol for a robust and application relevant rheological characterization of highly concentrated suspensions is presented. Silver pastes used for screen-printing application in solar cell production are employed as model systems.

Défis à rhéologique Caractérisation des concentrés - Suspensions très Une étude de cas pour la sérigraphie argent Pastes

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...