Studio delle proprietà di materiali nanostrutturati mediante tecniche di Microscopia a Forza Elettrica.

Il recente sviluppo di materiali nanostrutturati e loro compositi con materiali polimerici ha evidenziato grandi potenzialità di applicazione per nuove generazioni di dispositivi elettronici ed optoelettronici. Tuttavia, è ancora necessaria una comprensione più profonda delle proprietà fisiche di tali materiali, specialmente su scala nanometrica, e in particolare riguardo le proprietà delle superfici e degli strati d’interfaccia tra i costituenti. La microscopia a forza elettrica (EFM), derivata dalla microscopia a forza atomica (AFM), si sta sempre più affermando come metodo non invasivo per lo studio sulla scala nanometrica delle proprietà elettriche di superfici e interfacce. Tale tecnica sfrutta l’applicazione di un potenziale elettrico tra il campione in esame e la punta conduttrice di un AFM. Rivelando la perturbazione del sensore di forza del microscopio, detto cantilever, causata dalla forza elettrostatica, è possibile ottenere una mappatura delle proprietà elettriche della superficie in esame. In particolare si possono evidenziare la risposta capacitiva del sistema e l’eventuale presenza di cariche statiche. Più in dettaglio, la frequenza di risonanza del cantilever quando la punta si trova in prossimità del campione risulta influenzata punto per punto anche dal gradiente delle forze elettrostatiche presenti. Questo effetto dipende a sua volta dai coefficienti di capacità del sistema e dai potenziali applicati dall’esterno. Il lavoro di tesi da me svolto ha avuto come primo obiettivo la comprensione quantitativa del funzionamento di tale tecnica e la sua ottimizzazione per l’indagine elettrica di nanostrutture. Il secondo obiettivo è stato la determinazione della risposta elettrica di un campione nanostrutturato di interesse per l’optoelettronica, creando allo stesso tempo una “piattaforma” che consentisse in futuro un simile studio qualitativo e quantitativo su altri tipi di campioni. Le nanostrutture scelte sono “nanofili” di semiconduttore (InAs), aventi la forma di bastoncini della lunghezza di qualche micrometro e del diametro di circa 70 nm, il cui processo di fabbricazione per autoassemblaggio non consente un controllo accurato della carica elettronica presente. Tali nanostrutture sono state prodotte presso il Laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore di Pisa. I campioni sono stati depositati su un substrato di SiO2 su Si patternato con elettrodi planari interdigitati di Cr/Au. Le caratteristiche geometriche di tali elettrodi sono state appositamente progettate e realizzate (attraverso un processo di litografia ottica e di deposizione termica di metalli) per permettere di ospitare i materiali nanostrutturati e di poter applicare ad essi un campo elettrico esterno. L’analisi mediante EFM è stata svolta presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa, utilizzando un apparato AFM commerciale (Veeco Instruments MultiMode dotato di elettronica di controllo Nanoscope IIIa) equipaggiato con appositi moduli per la microscopia EFM, e munito di una camera ad atmosfera controllata, realizzata per ridurre l’umidità ambientale che risulta particolarmente deleteria per misure elettriche come quelle da condurre. Per garantire una corretta valutazione quantitativa dei risultati, si è tratto vantaggio dalla presenza degli elettrodi planari, i quali possono essere portati a potenziale noto. A tale scopo si è anche utilizzata la tecnica detta Kelvin Probe Microscopy (KPM), una variante della EFM ugualmente disponibile nell’apparato di misura utilizzato, che permette di rilevare la distribuzione spaziale dei potenziali di superficie sul campione. Il confronto tra i dati raccolti sulla nanostruttura e quelli sugli elettrodi a potenziale noto ha evidenziato un inatteso grado di complessità che non ha consentito un’interpretazione immediata dei risultati, mostrando altresì che i modelli presenti in letteratura risultavano insufficienti per la trattazione di sistemi a tre o più corpi conduttori. Questo ha motivato un ulteriore sforzo di comprensione della situazione sperimentale, portando all’elaborazione di un modello più completo in grado di descrivere anche sistemi come quelli studiati in questa tesi. Il modello proposto, partendo dalle definizioni generali dell’elettrostatica dei conduttori, tiene conto dell’induzione di carica reciproca sulle superfici metalliche affacciate (punta-elettrodo) nonché dell’occasionale presenza di cariche nette. La validità di questo modello è stata verificata analizzando la risposta elettrica delle superfici sotto differenti configurazioni di polarizzazione: nel caso di potenziale applicato alla punta, solo agli elettrodi metallici, o ad entrambi. L’applicazione del modello interpretativo al caso delle nanostrutture depositate sullo strato isolante tra gli elettrodi ha consentito di definire i corretti coefficienti capacitivi della nanostruttura stessa dall’analisi dei risultati sia di EFM sia di KPM. Il carattere conduttore dei nanofili analizzati è stato quindi evidenziato dalle nostre misure e confermato anche dai risultati per nanofili da noi depositati direttamente sugli elettrodi metallici. In prospettiva, il lavoro qui svolto pone anche le basi per future applicazioni di microscopia a forza elettrica quantitativamente più rigorose su diversi tipi di materiali nanostrutturati

Book Reviews

Book Review 1Book Title: BoiardoBook Authors: Jo Ann Cavallo & Corrado Confalonieri Milano: Unicopli, 2018.Reviewed by: Andrea PriviteraBook Review 2Book Title: All’ombra della memoria. Saggi su Paolo Volponi, 2° ed. riveduta e ampliataBook Author: Salvatore RitrovatoPesaro: Metauro, 2017Reviewed by: Diego SalvadoriBook Review 3Book Title: Francesca Turini Bufalini e la “letteratura di genere”Book Author: John ButlerCon una premessa di Antonio Lanza. Città di Castello, PG: Nuova Prhomos, 2018Reviewed by: Giulia Tonell

Electrostatic force microscopy and potentiometry of realistic nanostructured systems

We investigate the dependency of electrostatic interaction forces on applied potentials in Electrostatic Force Microscopy (EFM) as well as in related local potentiometry techniques like Kelvin Probe Microscopy (KPM). The approximated expression of electrostatic interaction between two conductors, usually employed in EFM and KPM, may loose its validity when probe-sample distance is not very small, as often realized when realistic nanostructured systems with complex topography are investigated. In such conditions, electrostatic interaction does not depend solely on the potential difference between probe and sample, but instead it may depend on the bias applied to each conductor. For instance, electrostatic force can change from repulsive to attractive for certain ranges of applied potentials and probe-sample distances, and this fact cannot be accounted for by approximated models. We propose a general capacitance model, even applicable to more than two conductors, considering values of potentials applied to each of the conductors to determine the resulting forces and force gradients, being able to account for the above phenomenon as well as to describe interactions at larger distances. Results from numerical simulations and experiments on metal stripe electrodes and semiconductor nanowires supporting such scenario in typical regimes of EFM investigations are presented, evidencing the importance of a more rigorous modelling for EFM data interpretation. Furthermore, physical meaning of Kelvin potential as used in KPM applications can also be clarified by means of the reported formalism.Comment: 20 pages, 7 figures, 1 tabl

Heterozygosity for Neuronal Ceroid Lipofuscinosis predisposes to Bipolar Disorder

Objective: Bipolar Disorder (BD) is an heritable chronic mental disorder causing psychosocial impairment, affecting patients with depressive/manic episodes. The familial transmission of BD does not follow any of the simple Mendelian patterns of inheritance. The aim of this study is to describe a new large family with twelve affected BD members: WES was performed in eight of them, three of which were diagnosed for BD, and one was reported as a "borderline" individual. Material and methods: WES data allowed us to select variants in common between the affected subjects, once including and once excluding a "borderline" subject with moderate anxiety and traits of obsessive-compulsive disorder. Results: Results were in favor of new predisposing BD genes, electing a heterozygous missense variant in CLN6 resulting in a "borderline" phenotype that if combined with a heterozygous missense variant in ZNF92 is responsible for the more severe BD phenotype. Both rare missense changes are predicted to disrupt the protein function. Conclusions: Loss of both alleles in CLN6 causes Neuronal Ceroid Lipofuscinosis, a severe progressive neurological disorder of childhood. Our results indicate that heterozygous CLN6 carriers, previously reported as healthy, may be susceptible to bipolar disorder late in life if associated with additional variants in ZNF92

Double-wall carbon nanotubes for wide-band, ultrafast pulse generation.

This is the final published version. It first appeared at http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn500767b.We demonstrate wide-band ultrafast optical pulse generation at 1, 1.5, and 2 μm using a single-polymer composite saturable absorber based on double-wall carbon nanotubes (DWNTs). The freestanding optical quality polymer composite is prepared from nanotubes dispersed in water with poly(vinyl alcohol) as the host matrix. The composite is then integrated into ytterbium-, erbium-, and thulium-doped fiber laser cavities. Using this single DWNT-polymer composite, we achieve 4.85 ps, 532 fs, and 1.6 ps mode-locked pulses at 1066, 1559, and 1883 nm, respectively, highlighting the potential of DWNTs for wide-band ultrafast photonics.We acknowledge funding from EPSRC GR/ S97613/01, EP/E500935/1, the ERC Grant NANOPOTS, a Royal Society Brian Mercer Award for Innovation. A.C.F. is a Royal Society Wolfson Research Merit Award holder. V.N. wishes to acknowledge support from the European Research Council (ERC Starting Grant 2DNanoCaps) and Science Foundation Ireland, P.T. from National Natural Science Foundation of China, Grants No. 11225421, F.B. from the Newton International Fellowship, Z.S. from Teknologiateollisuus TT-100, the European Union's Seventh Framework Programme (No. 631610), and Aalto University, T.H. from NSFC (Grant No. 61150110487), and the Royal Academy of Engineering (Graphlex)

The incidence of hip, forearm, humeral, ankle, and vertebral fragility fractures in Italy: results from a 3-year multicenter study

INTRODUCTION: We aimed to assess the incidence and hospitalization rate of hip and "minor" fragility fractures in the Italian population. METHODS: We carried out a 3-year survey at 10 major Italian emergency departments to evaluate the hospitalization rate of hip, forearm, humeral, ankle, and vertebral fragility fractures in people 45 years or older between 2004 and 2006, both men and women. These data were compared with those recorded in the national hospitalizations database (SDO) to assess the overall incidence of fragility fractures occurring at hip and other sites, including also those events not resulting in hospital admissions. RESULTS: We observed 29,017 fractures across 3 years, with hospitalization rates of 93.0% for hip fractures, 36.3% for humeral fractures, 31.3% for ankle fractures, 22.6% for forearm/wrist fractures, and 27.6% for clinical vertebral fractures. According to the analyses performed with the Italian hospitalization database in year 2006, we estimated an annual incidence of 87,000 hip, 48,000 humeral, 36,000 ankle, 85,000 wrist, and 155,000 vertebral fragility fractures in people aged 45 years or older (thus resulting in almost 410,000 new fractures per year). Clinical vertebral fractures were recorded in 47,000 events per year. CONCLUSIONS: The burden of fragility fractures in the Italian population is very high and calls for effective preventive strategies

Pathogen-sugar interactions revealed by universal saturation transfer analysis

Many pathogens exploit host cell-surface glycans. However, precise analyses of glycan ligands binding with heavily modified pathogen proteins can be confounded by overlapping sugar signals and/or compounded with known experimental constraints. Universal saturation transfer analysis (uSTA) builds on existing nuclear magnetic resonance spectroscopy to provide an automated workflow for quantitating protein-ligand interactions. uSTA reveals that early-pandemic, B-origin-lineage severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike trimer binds sialoside sugars in an “end-on” manner. uSTA-guided modeling and a high-resolution cryo–electron microscopy structure implicate the spike N-terminal domain (NTD) and confirm end-on binding. This finding rationalizes the effect of NTD mutations that abolish sugar binding in SARS-CoV-2 variants of concern. Together with genetic variance analyses in early pandemic patient cohorts, this binding implicates a sialylated polylactosamine motif found on tetraantennary N-linked glycoproteins deep in the human lung as potentially relevant to virulence and/or zoonosis

Electrostatic force microscopy and potentiometry of realistic nanostructured systems

We investigate the dependency of electrostatic interaction forces on applied potentials in electrostatic force microscopy (EFM) as well as in related local potentiometry techniques such as Kelvin probe microscopy (KPM). The approximated expression of electrostatic interaction between two conductors, usually employed in EFM and KPM, may loose its validity when probe-sample distance is not very small, as often realized when realistic nanostructured systems with complex topography are investigated. In such conditions, electrostatic interaction does not depend solely on the potential difference between probe and sample, but instead it may depend on the bias applied to each conductor. For instance, electrostatic force can change from repulsive to attractive for certain ranges of applied potentials and probe-sample distances, and this fact cannot be accounted for by approximated models. We propose a general capacitance model, even applicable to more than two conductors, considering values of potentials applied to each of the conductors to determine the resulting forces and force gradients, being able to account for the above phenomenon as well as to describe interactions at larger distances. Results from numerical simulations and experiments on metal stripe electrodes and semiconductor nanowires supporting such scenario in typical regimes of EFM investigations are presented, evidencing the importance of a more rigorous modeling for EFM data interpretation. Furthermore, physical meaning of Kelvin potential as used in KPM applications can also be clarified by means of the reported formalism

Detergenti contenenti microrganismi “probiotici”:<BR>esiste un loro ruolo per la sanificazione <BR>degli ambienti sanitari?

La sanificazione degli ambienti ospedalieri riveste un ruolo importante per le implicazioni di ordine igienico-sanitario che influiscono sulla qualità e la sicurezza delle cure erogate e sull’efficienza ed efficacia dell’organizzazione dei servizi. In questo ambito è di recente emerso un orientamento verso l’impiego di detergenti con minor impatto ambientale, coerentemente con le raccomandazioni europee sul green procurement. alla luce delle conoscenze attuali, appare a nostro parere opportuno adottare il “principio di precauzione” e procrastinare l’introduzione dei detergenti contenenti microganismi “probiotici” fra le pratiche ammissibili per la sanificazione in ambiente ospedaliero in attesa di ulteriori evidenze di efficacia e sicurezz

[Detergents containing micro-organisms "probiotics": is there a role for the sanitation of healthcare settings?]

La sanificazione degli ambienti ospedalieri riveste un ruolo importante per le implicazioni di ordine igienico-sanitario che influiscono sulla qualità e la sicurezza delle cure erogate e sull’efficienza ed efficacia dell’organizzazione dei servizi. In questo ambito è di recente emerso un orientamento verso l’impiego di detergenti con minor impatto ambientale, coerentemente con le raccomandazioni europee sul green procurement. Alcuni produttori, seguendo tale tendenza, hanno suggerito l’uso di detergenti contenenti batteri “probiotici”. Prodotti a base di microrganismi viventi sono stati, fino ad oggi, validati e impiegati in ambito ambientale per il bio-risanamento (bio-remediation), ovvero l’utilizzo di sistemi biologici con l’obiettivo di ridurre l’inquinamento dell’aria, delle acque o del suolo. Il bio-risanamento sfrutta le vie metaboliche dei micrororganismi, in particolare di quelli che sono in grado di metabolizzare sostanze inquinanti, quali ad esempio fenoli, benzene, toluene, olii, idrocarburi aromatici, in modo naturale (convertendoli in acqua e anidride carbonica), con un basso impatto ambientale e offrendo una valida alternativa ai metodi tradizionali che non risultano sempre efficaci oltre ad essere costosi