Conductive Atomic Force Microscope (c-AFM) was used to measure the conductivity of single horse spleen ferritin (HoSF) and azotobacter vinelandii bacterial ferritin (AvBF) molecules deposited on flat gold surfaces. A 500 micron diameter gold ball was also used as a contact probe to measure the conductivity of a thin film of ferritin molecules. The average current measured for holo HoSF was 13 and 5 times larger than that measured for apo HoSF as measured by c-AFM at 1V and gold ball at 2V and respectively, which indicates that the core of ferritin is more conductive than the protein shell and that conduction through the shell is likely the main factor limiting electron transfer. With 1 volt applied, the average electrical currents through single holo HoSF and single apo HoSF molecules were 2.6 pA and 0.19 pA respectively. Measurements on holo AvBF showed it was more than 10 times as conductive as holo HoSF, indicating that the protein shell of AvBF is more conductive than that of HoSF. The increased conductivity of AvBF is attributed to heme groups in the protein shell.

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Ce travail de thèse est dédié à l'étude de quelques phénomènes de surface impliquant des processus d'interactions à l'échelle nanométrique. Les expériences sont réalisées à l'aide un microscope à force atomique (AFM) à grande sensibilité, utilisant un interféromètre différentiel permettant d'atteindre une résolution de E-28m2/Hz dans la mesure de la déflexion de la sonde de force. Combiné à une approche originale d'analyse du bruit thermique, cet outil permet une caractérisation quantitative de la réponse mécanique de systèmes de taille micrométrique et nanométrique, tel que des micro-leviers ou des nanotubes de carbone, sur une large plage de fréquence.La première partie de mon travail porte sur la viscoélasticité du revêtement de leviers AFM. Mis en évidence par un bruit thermique en 1/f à basse fréquence, ce phénomène est présent lorsque le micro-levier est recouvert d'une couche nanométrique de métal (or, aluminium, platine, etc.) À l'aide du théorème fluctuation-dissipation et des relations de Kramers-Kronig, nous mesurons la dépendance en fréquence de cet amortissement viscoélastique dans une large gamme de fréquence (1Hz à 20 kHz. Nous observons une dépendance en fréquence générique sous la forme d'une loi de puissance pour ce processus de dissipation, avec un petit coefficient négatif qui dépend du matériau considéré. L'amplitude de cet effet est linéaire avec l'épaisseur du revêtement, démontrant ainsi que le mécanisme de dissipation est une propriété du volume de la couche métallique plutôt que de ses interfaces.La deuxième partie de mon travail se concentre sur de nouvelles expériences sur l'interaction de nanotubes de carbone avec des surfaces planes. En utilisant notre AFM, nous réalisons une mesure directe de la réponse mécanique (raideur, dissipation) du contact entre le nanotube et la surface, dans une géométrie de pelage (le nanotube est partiellement adsorbé sur la surface). Les résultats de ce protocole sont en accord avec la mesure de la raideur dynamique déduite de l'analyse du bruit thermique, démontrant une dépendance inattendue en loi de puissance de la raideur du contact en fonction de la fréquence. Nous proposons quelques origines physiques possibles pour expliquer ce comportement, tel qu'une couche de carbone amorphe autour du nanotube. / In this thesis, we test some interactions involving surfaces processes at the nanometer scale. The experiments are conducted with a highly sensitive interferometric Atomic Force Microscope (AFM), achieving a resolution down to E-28m2/Hz for the measurement of deflection. Combined with original thermal noise analysis, this tool allows quantitative characterization of the mechanical response of micrometer and nanometer sized systems, such as microcantilevers or carbon nanotubes, on a large frequency range.The first part of my work deals with the viscoelasticity of the coating of AFM cantilevers. Evidenced by a 1/f thermal noise at low frequency, this phenomenon is present when a cantilever is coated with a metallic layer (gold, aluminium, platinium, etc...). Using the fluctuation dissipation theorem and Kramers Kronig relations, we extract the frequency dependance of this viscoelastic damping on a wide range of frequency (1Hz to 20kHz). We find a generic power law dependence in frequency for this dissipation process, with a small negative coefficient that depends on materials. The amplitude of this phenomenon is shown to be linear in the coating thickness, demonstrating that the damping mechanism takes its roots in the bulk of the metallic layer.The second part of my work tackles new experiments on the interaction of carbon nanotubes with flat surfaces. Using our AFM, we perform a true mechanical response measurement of the rigidity and dissipation of the contact between the nanotube and the surface, in a peeling configuration (the nanotube is partially absorbed to the substrate). The results of this protocol are in line with the dynamic stiffness deduced from the thermal noise analysis, showing an unexpected power law dependence in frequency for the contact stiffness. We suggest some possible physical origins to explain this behavior, such as an amorphous carbon layer around the nanotube.

Transport électronique dans l'ADN Ce travail se situe dans le cadre des recherches en électronique moléculaire. La problématique de la conduction électrique dans l'ADN a été posée en 1962 par Eley et Spivey peu de temps après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick en 1953. A l'heure actuelle, il n'y a pas de consensus sur les propriétés de conduction à travers l'ADN. Le transfert de charges sur des distances de quelques nanomètres a été étudié en solution et est assez bien compris. En revanche, les mesures directes sur des électrodes donnent des comportements allant de la supraconductivité induite à l'isolant, en passant par semi-conducteur. Notre travail a été motivé par cette controverse. Nous avons étudié les propriétés électroniques de l'ADN déposé sur différentes couches moléculaires auto-assemblées sur des substrats de silicium. La préparation des surfaces et le dépôt d'ADN constituent la première partie de notre étude. La conductivité de l'ADN a ensuite été mesurée entre des électrodes fabriquées sur un support isolant ou par le biais d'un AFM conducteur. Dans ce dernier cas, la pointe de l'AFM permet tout à la fois d'imager la surface et de servir de seconde électrode pendant la mesure électrique. Deux types de résultats ont été obtenus : les comportements vont de l'isolant au conducteur, les résistances s'étalent sur au moins 6 ordres de grandeur, de 109 W à 1015 W, avec toutefois une plus faible fréquence de mesure des conductivités élevées. Deux points permettent d'expliquer cette grande disparité : d'une part, l'obtention d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN et, d'autre part, la méthode de dépôt de l'ADN sur la surface. La formation d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN nécessite des traitements en général destructifs pour la molécule. Ce contact peut être amélioré en utilisant un paquet de molécules d'ADN comme intermédiaire entre l'électrode évaporée et la corde d'ADN que l'on étudie. Cependant, cette méthode ajoute une résistance série importante. Des mesures systématiques ont été réalisées en fonction de la distance de la pointe AFM au paquet d'ADN et du nombre estimé de brins d'ADN dans la corde. Le dépôt de l'ADN étant un facteur primordial, nous concentrons nos efforts sur ce point pour comprendre plus avant le lien entre la structure de l'ADN et ses propriétés de conduction. Mots-clés : Electronique moléculaire, nanobiotechnologie, ADN, dépôt d'ADN, Microscopie à Force Atomique, AFM conducteur, monocouche auto-assemblée

Le microscope à force atomique (AFM) est un outil privilégié pour sonder la matière à l'échelle nanométrique. Dans cette thèse, nous l'utilisons comme instrument de mesure de force. Nous montrons que la mesure des fluctuations thermiques des ressorts permet de déterminer précisément leur raideur à condition d'utiliser un modèle qui prend en compte la forme des modes et la méthode de détection. A l'aide de nouvelle méthodes d'analyse des courbes de rétraction, nous étudions la conformation de polymères et de copolymères adsorbés, ainsi que l'interaction spécifique entre un complexe du nickel (Ni-NTA) et l'acide aminé histidine. Nous mettons en évidence des comportements inattendus en présence de liens multiples et nous en proposons une interprétation basée sur un équilibre entre formations et ruptures des liaisons. Nous présentons des premiers résultats expérimentaux concernant la transition conformationnelle de la polylysine sous étirement.

The object of this thesis is to apply scanning probemicroscopy (SPM) to the field of advanced powder processing.Measurement of interparticle surface forces at conditionsrelevant to ceramic processing has been performed together withthorough studies of powder friction. Surface force measurements between silicon nitride andsilica surfaces in 1-bromonaphtalene and diiodomethane resultedin an attractive van der Waals force in both media for thesymmetric systems and a repulsive van der Waals force for theasymmetric systems. This agreed well with theoreticalpredictions from Lifshitz theory. Measurements in electrolytesolutions between silicon nitride surfaces with a varyingdegree of oxidation showed that silanol groups dominated theinteractions at a high degree of oxidation, whereas theinfluence of amine species became stronger after surfaceetching. Surface charge, surface potential and density ofsurface groups have been extracted from DLVO computer modellingof the experimental force curves. Surface force measurementshave been carried out using a nitrided silica sphere as acolloidal probe, representative for commercial silicon nitridepowders. Adsorption of poly(acrylic acid) above the isoelectricpoint generated a thin polymer layer of an essentially flatconformation. Friction force measurements were attainable via novelcalibration procedures of both the lateral photodetectorresponse and the cantilever torsional spring constant.Combining the method for detector calibration with evaluationof static friction slopes simplified the choice of appropriatecontact mechanics theory to evaluate the friction measurements.Applying the method on friction measurements between ironsurfaces coated with commercial lubricants showed a substantialsurface deformation not seen from the friction force alone. Thenanorheological properties of silica surfaces coated with twodifferent stearic acids have been evaluated from friction forcemeasurements. Steady sliding motion was replaced by highlyregular stick-slip motion at a critical load and velocity. Thestick-slip motion was successfully described and fitted to aphenomenological model. The contact area evaluated fromMaugis-Dugdale theory revealed the contact diameter to be veryclose to the stick-slip periodicity. Friction measurements were carried out between individualspray-dried ceramic granules as a function of binderconcentration and relative humidity. The hygroscopic nature ofthe binder resulted in a higher adhesion force but lowerfriction coefficient with increasing humidity. This effect wasascribed to softening of the binder and a lowering of the shearstrength of the binder rich surface layer on the granules.Comparison of the friction force between two granules and agranule and a hard metal surface confirmed that resistance toflow during the initial stages of powder pressing is dominatedby granule-wall friction and adhesion. Keywords: Atomic force microscope, AFM, SPM, van der Waalsinteraction, DLVO-theory, surface forces, colloidal probe,force curve, friction, adhesion, stick-slip, cantilever,calibration, spring constant, silicon nitride, iron,silica.

Single-molecule force spectroscopy (SMFS) with atomic force microscope (AFM) has advanced our knowledge of the mechanical aspects of biological processes, and helped us take big strides in the hitherto unexplored areas of protein (un)folding. One such virgin land is that of membrane proteins, where the advent of AFM has not only helped to visualize the difficult to crystallize membrane proteins at the single-molecule level, but also given a new perspective in the understanding of the interplay of molecular interactions involved in the construction of these molecules. My PhD work was tightly focused on exploiting this sensitive technique to decipher the intra- and intermolecular interactions in membrane proteins, using bacteriorhodopsin and bovine rhodopsin as model systems. Using single-molecule unfolding measurements on different bacteriorhodopsin oligomeric assemblies - trimeric, dimeric and monomeric - it was possible to elucidate the contribution of intra- and interhelical interactions in single bacteriorhodopsin molecules. Besides, intriguing insights were obtained into the organization of bacteriorhodopsin as trimers, as deduced from the unfolding pathways of the proteins from different assemblies. Though the unfolding pathways of bacteriorhodopsin from all the assemblies remained the same, the different occurrence probability of these pathways suggested a kinetic stabilization of bacteriorhodopsin from a trimer compared to that existing as a monomer. Unraveling the knot of a complex G-protein coupled receptor, rhodopsin, showed the existence of two structural states, a native, functional state, and a non-native, non-functional state, corresponding to the presence or absence of a highly conserved disulfide bridge, respectively. The molecular interactions in absence of the native disulfide bridge mapped onto the three-dimensional structure of native rhodopsin gave insights into the molecular origin of the neurodegenerative disease retinitis pigmentosa. This presents a novel technique to decipher molecular interactions of a different conformational state of the same molecule in the absence of a high-resolution X-ray crystal structure. Interestingly, the presence of ZnCl2 maintained the integrity of the disulfide bridge and the nature of unfolding intermediates. Moreover, the increased mechanical and thermodynamic stability of rhodopsin with bound zinc ions suggested a plausible role for the bivalent ion in rhodopsin dimerization and consequently signal transduction. Last but not the least, I decided to dig into the mysteries of the real mechanisms of mechanical unfolding with the help of well-chosen single point mutations in bacteriorhodopsin. The monumental work has helped me to solve some key questions regarding the nature of mechanical barriers that constitute the intermediates in the unfolding process. Of particular interest is the determination of altered occurrence probabilities of unfolding pathways in an energy landscape and their correlation to the intramolecular interactions with the help of bioinformatics tools. The kind of work presented here, in my opinion, will not only help us to understand the basic principles of membrane protein (un)folding, but also to manipulate and tune energy landscapes with the help of small molecules, proteins, or mutations, thus opening up new vistas in medicine and pharmacology. It is just a matter of a lot of hard work, some time, and a little bit of luck till we understand the key elements of membrane protein (un)folding and use it to our advantage.

<p>The object of this thesis is to apply scanning probemicroscopy (SPM) to the field of advanced powder processing.Measurement of interparticle surface forces at conditionsrelevant to ceramic processing has been performed together withthorough studies of powder friction.</p><p>Surface force measurements between silicon nitride andsilica surfaces in 1-bromonaphtalene and diiodomethane resultedin an attractive van der Waals force in both media for thesymmetric systems and a repulsive van der Waals force for theasymmetric systems. This agreed well with theoreticalpredictions from Lifshitz theory. Measurements in electrolytesolutions between silicon nitride surfaces with a varyingdegree of oxidation showed that silanol groups dominated theinteractions at a high degree of oxidation, whereas theinfluence of amine species became stronger after surfaceetching. Surface charge, surface potential and density ofsurface groups have been extracted from DLVO computer modellingof the experimental force curves. Surface force measurementshave been carried out using a nitrided silica sphere as acolloidal probe, representative for commercial silicon nitridepowders. Adsorption of poly(acrylic acid) above the isoelectricpoint generated a thin polymer layer of an essentially flatconformation.</p><p>Friction force measurements were attainable via novelcalibration procedures of both the lateral photodetectorresponse and the cantilever torsional spring constant.Combining the method for detector calibration with evaluationof static friction slopes simplified the choice of appropriatecontact mechanics theory to evaluate the friction measurements.Applying the method on friction measurements between ironsurfaces coated with commercial lubricants showed a substantialsurface deformation not seen from the friction force alone. Thenanorheological properties of silica surfaces coated with twodifferent stearic acids have been evaluated from friction forcemeasurements. Steady sliding motion was replaced by highlyregular stick-slip motion at a critical load and velocity. Thestick-slip motion was successfully described and fitted to aphenomenological model. The contact area evaluated fromMaugis-Dugdale theory revealed the contact diameter to be veryclose to the stick-slip periodicity.</p><p>Friction measurements were carried out between individualspray-dried ceramic granules as a function of binderconcentration and relative humidity. The hygroscopic nature ofthe binder resulted in a higher adhesion force but lowerfriction coefficient with increasing humidity. This effect wasascribed to softening of the binder and a lowering of the shearstrength of the binder rich surface layer on the granules.Comparison of the friction force between two granules and agranule and a hard metal surface confirmed that resistance toflow during the initial stages of powder pressing is dominatedby granule-wall friction and adhesion.</p><p>Keywords: Atomic force microscope, AFM, SPM, van der Waalsinteraction, DLVO-theory, surface forces, colloidal probe,force curve, friction, adhesion, stick-slip, cantilever,calibration, spring constant, silicon nitride, iron,silica.</p>

Depuis son invention en 1986, les microscopes à force atomique (AFM) ont été des puissants outils pour la caractérisation des matériaux et des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Cette thèse est entièrement dédiée à la mesure de l'interaction entre une sonde AFM et une surface avec une nouvelle technique AFM appelée Force Feedback Microscopy (FFM). La technique a été développée et utilisée pour l'étude d'échantillons biologiques. Le principe central de la technologie FFM est que la force totale moyenne appliquée à la pointe est égal à zéro. En conséquence, en présence d'une interaction pointe-échantillon, une force égale et contraire doit être appliquée à la pointe par une boucle de rétroaction. La force de réaction est ici appliquée à la pointe à travers le déplacement d'un petit élément piézoélectrique positionné à la base du levier AFM. La boucle de rétroaction permet d'éviter instabilités mécaniques tels que le saut au contact, permettant la mesure complète de la courbe d'interaction. En plus, il donne la possibilité de mesurer simultanément les parties élastique et inélastique de l'interaction. La technique a été appliquée à l'étude des interactions à l'interface solide/gaz, avec un intérêt particulier pour l'observation de la formation et de la rupture des ponts capillaires entre pointe et échantillon. Ensuite, on a focalisé notre attention aux interfaces solide/liquide. Dans ce contexte, courbes complètes de type DLVO sont caractérisées d'un point de vue élastique et dissipatif. Nous avons développé des nouveaux modes d'imagerie AFM pour l'étude des biomolécules. Images de phospholipides et de l'ADN à force constante ont été réalisées et certaines propriétés mécaniques comme le module de Young des échantillons ont été évaluées. En plus, nous avons réalisé une étude spectroscopique de l'élasticité et du coeffcient d'amortissement de l'interaction entre des cellules vivantes de type PC12 et une pointe AFM en nitrure de silicium. L'étude montre que le FFM est un instrument capable de mesurer l'interaction à des fréquences qui ne sont pas nécessairement liées aux résonances caractéristiques du levier. L'étude spectroscopique pourrait avoir dans le futur des applications importantes pour l'étude des biomolécules et des polymères.

L’importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l’industrie du bâtiment, dont l’origine n’est pas encore établie. Afin d’en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L’évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d’appui de la pointe de l’AFM ainsi que des additifs utilisés. L’étude de l’influence de la force d’appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (> 15 nN) on observe un mécanisme d’usure de la surface, tandis qu’à faibles forces (< 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L’évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte. / The huge enhancement of the creep of plasterboard by humid environments is an old problem in the building industry, but its origin remains unknown. To understand this mechanism a three scales study (macro : mechanical behavior, micro : dissolution kinetics, nano : atomic observation) has been done. There is a strong correlation between wet plaster creep and gypsum dissolution kinetics. The concordance between this correlation and the law of deformation by pressure solution, well-known in geology, permits to propose pressure solution as one of the mechanisms responsible of wet plaster creep. The topological evolution of the cleaved surface of a gypsum single crystal during its dissolution in a flowing under-saturated aqueous solution has been observed with an atomic force microscope. The kinetics of step migration strongly depends on the saturation state of the solution, the force applied by the tip on the surface, as well as the used additives. The study of the influence of the force applied by the tip on the step velocity evidence two different dissolution enhancement regimes. At high forces (> 15 nN) a corrosive wear behavior is observed, while at low forces (< 10 nN) pressure solution is the observed mechanism. The step velocity evolution with the force obeys the known kinetic law of pressure solution.