No description available.

Electrochemical synthesis of straight, separable, cylindrical nanowires for use as cantilevered mechanical resonators is the main focus of this dissertation. These types of nanowires are significant for many applications, but particularly so for chip-based sensor arrays made for ultrasensitive mass detection. Directed-assembly of nanowire-based devices has enabled the development of large-area fabrication of sensor devices with new functions such as cancer detection at early stage. Chemically stable noble metals gold and rhodium are interesting materials for making nanowire resonators. Gold makes a well-known, stable and strong bond with the thiol group, which enables a range of surface functionalization chemistries. Rhodium nanowires have desirable mechanical properties for resonant mass sensing as they can retain high quality factor (Q-factor) from high vacuum to near atmospheric pressures. As a versatile and inexpensive tool, electrodeposition provides the most suitable synthesis path for gold and rhodium resonator-grade nanowires in nanoporous templates. In this work, the structural characteristics of nanoporous membranes anodized aluminium oxide and track-etched polycarbonate was explored for use as electrodeposition template. New chemistries for making gold and rhodium nanowires are introduced. Although gold cyanide-based solutions work well for the electrochemical synthesis of separable nanowires, the toxicity of cyanide solutions makes non-cyanide alternatives desirable. However, electrochemical synthesis of gold nanowires in templates from non-cyanide solutions suffers from serious drawbacks. These include growth-arresting pellet formation, poor length control and defects such as inclusions. In this dissertation, the first electrochemical synthesis of straight, cylindrical, separable gold nanowires from a sulfite-based solution is presented. This work demonstrates a scheme that suppresses electroless particle growth in the weakly-complexed gold in solution by proper use of additives. The electrochemical nucleation and growth of rhodium nanowires from a sulphate-based solution is also discussed. The effect of pH on the length uniformity as well as the effect of EDTA and polyethylenimine as additives on the development of the wire nanostructure was studied. This study has shown that the control over hydrogen co-reduction on the electrode surface and its bubble transport rate allowed for tailoring the nanostructure of the grown nanowires. The control over electrochemical nucleation and growth of noble metal films for nanowire clamping has also been investigated in this work for making reliable defect-free clamps for nanoresonator measurements. Silver was introduced as a reliable replacement for gold for nanowire clamping. Resonance measurements of rhodium nanowires clamped with silver, confirmed a reliable and repeatable clamp with very small scatter in the plot of resonance frequency variation with appropriate geometric terms. In addition, we found that the elastic modulus of a set of rhodium nanowires synthesized and measured in this work, was 14% larger than in previous studies. / Graduate / 0794 / 0548 / mascotella@gmail.com

Les agrégats cellulaires constituent un modèle intermédiaire entre les cellules uniques et les tissues cellulaires et sont utilisés dans de nombreux domaines tels que l’ingénierie tissulaire et le criblage de médicaments in vitro. La création de tels agrégats cellulaires dont les propriétés et la taille seraient contrôlées nécessite cependant le développement de nouvelles approches ascendantes. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à développer des microsystèmes pour la formation contrôlée d’agrégats de cellules sous flux via des champs électriques. Cette approche se base sur la diélectrophorèse (DEP), un phénomène induisant le déplacement des particules diélectriques lorsqu’elles sont placées dans un champ électrique non-uniforme. Un outil de calcul, MyDEP, a tout d’abord été développé afin d’être en mesure de prédire le comportement des cellules en suspension dans un certain milieu. Cet outil permet d’étudier la réponse diélectrique des particules et des cellules en fonction de la fréquence du champ. Il contient une base de données regroupant les propriétés diélectriques des cellules publiées dans la littérature afin d’aider tant les spécialistes que les utilisateurs néophytes à comprendre le comportement diélectrophorétique des particules et des cellules ainsi qu’à choisir les paramètres expérimentaux tels que la conductivité électrique du milieu et la fréquence du champ préalablement aux manipulations expérimentales en laboratoire. Différents designs pour le piégeage de cellules sont proposés avec les simulations, par la méthode des éléments finis en utilisant COMSOL Multiphysics, associées. Leur fabrication a nécessité le développement d’une méthode d’alignement reproductible, précise au micromètre, des microcanaux d’un polymère appelé le polydiméthylsiloxane (PDMS) avec des électrodes coplanaires en titane/platine déposées sur du verre via l’utilisation d’une aligneuse de masques conventionnelle. La méthode est basée sur l’utilisation d’un moule en silicium associé à un sarcophage en Poly(methyl methacrylate) (PMMA) afin de garantir le contrôle du parallélisme entre les parties supérieure et inférieure du PDMS moulé. Les puces contenant les différents designs de piégeage ainsi fabriquées ont été testées avec succès sur des cellules rénales embryonnaires humaines (HEK) à l’aide d’une installation expérimentale démontrant par la même la capacité des puces à créer des agrégats constitués d’un nombre contrôlé de cellules par diélectrophorèse. Les agrégats ainsi formés se sont avérés stables après 5 minutes de contact cellule à cellule sans qu’une séparation des cellules n’ait été observée. Le design d’un capteur par impédance a par ailleurs été proposé pour caractériser tant les cellules uniques que les agrégats cellulaires avant et après la chambre de piégeage. Celui-ci, associé au design de piégeage par DEP, a été testé expérimentalement avec succès pour détecter leur passage. / Cell aggregates are an intermediary model between single cells and cell tissues used in many applications such as tissue engineering and in vitro drug screening. The creation of cells aggregates of controlled size and properties requires the development of new bottom-up strategies. The work developed in this manuscript aims at presenting the development of microsystems for the electric force-driven controlled formation of cell aggregates under flow conditions. This approach is based on dielectrophoresis, a phenomenon that causes induced motion on dielectric particles placed in a non-uniform electric field. A computational tool, MyDEP, was first developed in order to predict the behavior of cells in a specific medium. It allows to study the dielectric response of particles and cells as a function of frequency. The software also includes a database gathering cell dielectric models available in the literature to help experienced users as well as neophytes to understand the dielectrophoretic behavior of particles and cells and to choose parameters such as electric conductivity of the medium and frequency before performing laboratory experiments. Different designs for cell trapping are proposed and simulated in 2D with FEM using COMSOL Multiphysics. Their fabrication implied the development of a reproducible method for μm precision alignment of microchannels in a polymer called polydimethylsiloxane (PDMS) with coplanar titanium/platinum electrodes deposited on glass, using a conventional mask aligner. It is based on the use of a silicon mold in combination with a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) sarcophagus for precise control of the parallelism between top and bottom surfaces of molded PDMS. The trapping design based on coplanar electrodes was successfully tested experimentally on human embryonic kidney cells (HEK) with an automated setup. It proves its capability to create aggregates of a controlled number of cells with DEP. The cell aggregates proved to be stable (no disruption) after only 5 minutes of cell-cell contact. An impedance-based sensor design was proposed for characterizing single cells and cells aggregates before and after the trapping chamber. This sensor was successfully tested experimentally to detect particle passage in combination with the dielectrophoretic trapping design.

Magneticky řízené samo-uspořádávání v polymerních nanokompozitech je studováno v této dizertační práci. Strukturování polymerních nanokompozitů pomocí relativně slabých magnetických polí (B=0-50 mT) bylo prokázáno jako praktická metoda pro kontrolu jejích nano a mikrostruktury. Vliv intenzity magnetického pole, množství nanočástic, viskozity a času uspořádávání na výslednou strukturu byl studován v různých systémech jako fotopolymer, polyuretan nebo koloidně dispergované nanočástice v acetonu s malým množstvím rozpuštěného polymeru. Samo-uspořádané struktury – bez aplikace vnějšího magnetického pole vykazují vícekrokovou agregaci nanočástic do uskupení s komplexním tvarem. Magnetické interakce byly označené jako odpovědné za agregaci nanočástic v samo-uspořádaných systémech pomocí výpočtů energii mezi-částicových interakcí. S rostoucím magnetickým polem, magnetické nanočástice jsou rychle uspořádané do jednorozměrných částicových řetězů s vysokým aspektním poměrem a homogenní orientaci v polymerní matrici. S prodluženým časem uspořádaní, tyto struktury postupně rostou z malých submikrometrových struktur do velkých mikroskopických super struktur. Táto metoda vykazuje velký potenciál pro kontrolovanou přípravu široké škály struktur v polymerních nanokompozitech vhodných pro technologické aplikace a také pro fundamentální studie. Magneticky uspořádané polymerní nanokompozity vykazují značnou směrovou anisotropii tuhosti kompozitu nad jeho skelným přechodem přičemž, pod skelným přechodem systému není pozorován žádný efekt. Podélně orientované struktury vykazují větší příspěvek k tuhosti kompozitů. Efektivnost vyztužení vykazuje teplotně závislý průběh a maximum je pozorováno přibližně 60 °C nad skelným přechodem. Struktura magneticky uspořádaného polymerního nanokompozitu byla popsána vícero-úrovňovým hierarchickým modelem materiálu. Mikromechanika byla využitá k popisu směrově závislého vyztužení polymerních nanokompozitů a k popisu teplotně závislé tuhosti hybridních struktur složených z nanočástic a polymeru. Schopnost nést napětí, deformovat se a nenulová tuhost hybridních struktur je odpovědná za vyztužení polymerních nanokompozitů. Přítomnost polymerních přemostění mezi nanočásticemi, které přenášejí napěti skrze magnetické struktury je označená jako nezbytná pro mechanickou odezvu polymerních nanokompozitů a pro tuhost hybridních struktur.