Thesis (Ph. D.)--University of Alabama at Birmingham, 2007. / Title from PDF t.p. (viewed Feb. 3, 2010). Additional advisors: Derrick R. Dean, Sergey B. Mirov, Sergey Vyazovkin, Mary Ellen Zvanut. Includes bibliographical references (p. 122-145).

Mimicking nature gives rise to many important facets of biomaterials. This study is inspired by nature and reports on the fabrication of an intercalated polymer-NiTi nanocomposite that mimics the structural order of urethral tissue performing micturition. PTFE is chosen due to its hydrophobicity, low surface energy, and thermal and chemical stability. NiTi has been selected as a prime candidate for this research due to its excellent mechanical stability, corrosion resistance, energy absorbance, shape memory and biocompatibility. Nanoscale engineering of intercalated nanocomposites is done by PVD sputtering PTFE and NiTi. FTIR spectroscopy confirms that PTFE reforms as polymer chains after sputtering. Suitable PVD sputtering parameters were selected by investigating their influence on deposition rates, microstructure and properties of PTFE and NiTi thin films. PTFE forms stable nanocomposite coatings with NiTi and displays favourable surface interactions, known as ‘intercalation’. Intercalated PTFE-NiTi films were fabricated as layered and co-sputtered thin films. Co-sputtered nanocomposites contained nearly one-third vacant sites within its internal microstructure because of intercalation while intercalation introduced minute pits in fibrous NiTi columns of layered nanocomposites. These pits allow PTFE to extend their chains and crosslinks, resulting in microstructural and functional changes in the thin films. Intercalated PTFE-NiTi nanocomposites offer a close match to the natural tissue in terms of responding to the fluid contact (wetting angle modifications), and allow the soft and hard matter to incorporate in one framework without any chemical reactions (intercalation). An intercalated microstructure in co-sputtered and layered nanocomposites was verified by EDS-SEM and EDS-TEM techniques. The functional responses were witnessed by changes in water contact angle (WCA) and coefficient of friction (CoF) values measured on the film surface. The WCA (99°) and CoF (0.1 – 0.2) of the intercalated nanocomposite (sample PNT12) were different to the NiTi (top layer). WCA and CoF indicate the internal microstructural interactions because of intercalation. Although the pseudoelastic behaviour of NiTi can provide additional fluid response but the difficulty is an absence of crystallinity in as-deposited NiTi, and the heat treatment that melts PTFE. However, DSC and XRD techniques were employed to find the optimum NiTi composition and transition temperatures for phase transformation related to pseudoelasticity. This study provides the basis to incorporate the shape memory (pseudoelasticity or thermal shape memory effect (shape memory effect)) features of NiTi into the intercalated nanocomposite in future. The intercalated PTFE-NiTi nanocomposite reveals a fascinating research precinct, having the response generating characteristics similar to that of natural tissue.

Cette thèse porte sur la croissance de films minces d’oxydes de zinc/fer (ZnxFe1-xO1+δ par ablation laser pulsée (PLD) et sur la possibilité de contrôler leurs propriétés structurales et physico-chimiques en variant les conditions d’élaboration : pression d’oxygène et température de croissance, proportions respectives de zinc/fer. Pour de fortes valeurs de x (x > 65%), les films sont monophasés de structure wurtzite type ZnO (films Fe:ZnO), avec une transparence optique dans la gamme UV-visible de 80% mais sans propriété ferromagnétique ; en fonction de leur teneur en fer (1-x), ils évoluent de très bons conducteurs électriques à quasi-isolants. Pour de faibles valeurs de x (x < 15%), les films sont également monophasés de structure spinelle type Fe3O4 (films Zn:Fe3O4). Ils présentent de très bonnes propriétés ferromagnétiques dès la température ambiante ainsi qu’une bonne conductivité électrique, les effets de localisation des porteurs de charge se manifestant en dessous de la température de Verwey. Le nombre de parois d’antiphase peut être diminué par une croissance en deux étapes, comme l’atteste les mesures de magnétorésistance. Aux taux intermédiaires de zinc (15% < x < 65%), les films sont nano-composites. Dans le cas d’une coexistence des phases Fe:ZnO et Zn:Fe3O4, la bonne conductivité de Zn:Fe3O4 jointe à la multiplicité des variantes épitaxiales et donc des interfaces fournit un matériau adapté à la thermoélectricité. Dans le cas d’une coexistence de la phase ferrromagnétique Zn:Fe3O4 avec la phase Zn:FeO antiferromagnétique de type sel gemme, un fort couplage d’échange ainsi qu’une anisotropie magnétique perpendiculaire élevée sont mis en évidence. / This thesis deals with the growth of thin films of zinc/iron oxides (ZnxFe1-xO1+δ) by pulsed laser deposition (PLD) and the possibility of controlling their structural and physicochemical properties by varying the elaboration conditions: oxygen pressure and growth temperature, respective proportions of zinc/iron. For high values of x (x> 65%), the films are single-phase with a ZnO-type wurtzite structure (Fe:ZnO films), with 80% optical transparency in the UV-visible range but without ferromagnetic properties; depending on their iron (1-x) content, they evolve from very good electrical conductors to near-insulators. For small values of x (x <15%), the films are also single-phase with a Fe3O4-type spinel structure (Zn:Fe3O4 films). They exhibit very good ferromagnetic properties at ambient temperature as well as good electrical conductivity, the localization effects of charge carriers occurring below the Verwey temperature. The number of antiphase walls can be decreased by a two-step growth, as evidenced by magnetoresistance measurements. At intermediate zinc rates (15% <x <65%), the films are nano-composites. In the case of a coexistence of the Fe:ZnO and Zn:Fe3O4 phases, the good conductivity of Zn:Fe3O4 combined with the multiplicity of epitaxial variants and thus of the interfaces provides a material suitable for thermoelectricity. In the case of a coexistence of the ferrromagnetic Zn:Fe3O4 phase with the Zn:FeO antiferromagnetic rocksalt phase, strong exchange coupling as well as high perpendicular magnetic anisotropy are demonstrated.

La réponse optique des petites particules de métaux nobles (Au, Ag, Cu) se manifeste essentiellement par une bande de résonance plasmon de surface dont la position et la largeur dépendent notamment de la taille des agrégats et du milieu environnant. Ce travail présente l'étude des propriétés optiques d'agrégats mixtes AuM (M=Ag, Ni, Co et Pt) de 1,5 à 6 nm de diamètre, en matrice d'alumine. La technique de préparation des films minces de nanoparticules en matrice d'alumine ainsi que les différentes techniques de caractérisation et d'étude de leurs propriétés optiques sont présentées d'abord. Puis les modèles théoriques qui permettent d'interpréter ces propriétés sont introduits : un modèle semi-quantique, mettant en évidence l'influence des électrons de cœur, de la matrice et de sa porosité, mais qui n'est pas adapté à tous les systèmes; un modèle classique dans les autres cas. L'influence de la taille et de la composition des agrégats mixtes or-argent est étudiée ensuite. Les spectres d'absorption montrent une résonance plasmon de surface intermédiaire par rapport à l'argent et l'or purs, et le blue-shift observé quand la taille diminue est d'autant plus important que la proportion d'or est grande. Ces résultats expérimentaux sont comparés avec ceux d'un calcul semi-quantique, en utilisant deux modèles pour la fonction diélectrique du mélange AuAg. Il semble que ces agrégats forment plutôt des alliages. Enfin, les systèmes NiAg et CoAg forment des " core-shell " : un cœur de nickel ou de cobalt, entouré d'argent et leurs spectres d'absorption présentent une bande plasmon de surface conformément aux prévisions théoriques classiques. A l'inverse, les agrégats (PtxAg1-x)n présentent expérimentalement une résonance plasmon de surface très fortement atténuée, contrairement aux prévisions classiques si l'agrégat est sous forme " core-shell " ou a une structure pour laquelle la fonction diélectrique dépend simplement de celles de ses constituants.

Des films nanocomposites amidon / argent ont été préparés par deux voies de génération vertes de nanoparticules d'argent. La première voie, dite ex situ, consiste à préparer tout d'abord une solution colloïdale d'argent qui est ensuite redispersée dans une matrice amidon plastifiée glycérol. Les nanoparticules d'argent colloïdales sont synthétisées en solution aqueuse par réduction du nitrate d'argent par du glucose en présence d'amidon stabilisant. La seconde voie, dite in situ, consiste à disperser le nitrate d'argent dans le film amidon plastifié et le réduire directement dans le film par traitement thermique en présence ou non de réducteur. L'influence du taux de glucose réducteur, du temps de synthèse et de la température a été étudiée en termes de taille, distribution de taille et dispersion des nanoparticules d'argent dans les films nanocomposites ex situ et in situ. Tout en gardant des paramètres de procédé comparables, les deux voies de nanostructuration des films amidon/argent ont également été comparées en termes de structure, de propriétés thermiques et de transport. Enfin, l'incorporation de charges montmorillonites a également été étudiée dans les deux voies de génération des nanoparticules métalliques. L'ensemble des travaux a permis de valider les deux voies de génération vertes menant à des nanoparticules d'argent dispersées de manière homogène et de tailles moyennes inférieures à 30 nm. La voie in situ à 85°C se distingue par des nanoparticules d'argent cristallines et de très petites tailles (inférieures à 10 nm) avec une interface amidon/argent cohésive particulière qui permettent d'améliorer les propriétés barrières aux gaz et à l'eau avec une diminution de perméabilité observée jusqu'à 90% / The present work reports a strategy involving the preparation of silver nanoparticles in a biodegradable polymer stemming from either an ex situ or an in situ method, using in both cases a completely green chemistry process. The influence of the reducing agent concentration and the silver nanoparticles generation route is investigated on the structure, the morphology and the properties of the nanocomposite films. In both routes, silver nanoparticles with a diameter below 30 nm were highlighted in the nanocomposite films. For all nanocomposite films, no modification on the crystalline structure of the starch matrix is observed in the presence of silver. The in situ generation route allowed to obtain the smallest silver nanoparticles with a diameter below 10 nm. Crystalline silver nanoparticles were obtained only from the in situ generation route at the temperature of 85°C. The introduction of montmorillonites in both generation routes was also studied. The decrease of the water sorption and the improvement of water and oxygen barrier properties were found to be not dependent on the reducing agent concentration but mainly on the presence of the crystalline structure of the silver nanoparticles. Thus, significant enhancement of the barrier properties were finally obtained for the in situ nanocomposite films thanks to an efficient interaction between the crystalline silver nanoparticles and the starch matrix