The removal of ultrathin amorphous polymer films in contact with nonsolvent/solvent binary mixtures is addressed by means of neutron reflectometry and atomic force microscopy. The high resolution of neutron scattering makes it possible to resolve the distribution profiles of heavy water and benzyl alcohol inside Laropal (R) A81, often employed as a protective varnish layer for Culture Heritage in restoration of easel paintings. The swelling kinetics and distribution profiles were recorded as a function of time and increasing benzyl alcohol concentration in water. The varnish film swells by penetration of the good solvent. At higher concentrations water-filled cavities appear inside the varnish and grow with time. Contrary to homogeneous dissolution dewetting is observed at late stages of exposure to the liquid which leads to the Breakup of the film. The high resolution measurements are compared to bulk behaviour characterized by the ternary phase diagram and the Flory-Huggins interaction parameters are calculated and used to predict the swelling and solvent partition in the films. Distinct differences of the thin film to bulk behaviour are found. The expectations made previously for the behaviour of solvent/non-solvent mixtures on the removal of thin layers in the restoration of easel paintings should be revised in view of surface interactions.

The actin cytoskeleton has the unique capability of producing pushing forces at the leading edge of motile cells without the implication of molecular motors. This phenomenon has been ex- tensively studied theoretically, and molecular models, including the widely known Brownian ratchet, have been proposed. However, supporting experimental work is lacking, due in part to hardly accessible molecular length scales. We designed an experiment to directly probe the mechanism of force generation in a setup where a population of actin filaments grows against a load applied by magnetic microparticles. The filaments, arranged in stiff bundles by fascin, are constrained to point toward the applied load. In this protrusion-like geometry, we are able to directly measure the velocity of filament elongation and its dependence on force. Using numerical simulations, we provide evidence that our experimental data are consistent with a Brownian ratchet-based model. We further demonstrate the existence of a force regime far below stalling where the mechanical power transduced by the ratcheting filaments to the load is maximal. The actin machinery in migrating cells may tune the number of filaments at the leading edge to work in this force regime.

Les colloïdes superparamagnétiques sont utilisés dans de nombreuses études pour appliquer une force sur des cellules ou des molécules d’ADN. Dans une première partie, nous explorons le processus physique par lequel ces objets acquièrent une aimantation leur permettant d’exercer des forces. Nous montrons comment la présence de quelques gros grains ferromagnétiques dans les colloïdes leur permet de s’orienter dans un champ externe. La robustesse de ce modèle est démontrée par sa généralisation à plusieurs tailles de colloïdes et sa cohérence avec les propriétés du ferrofluide ayant servi à les fabriquer. Dans une seconde partie, la réaction de filaments d’actine à la pression exercée par des colloïdes superparamagnétiques est étudiée. Nous sondons ainsi le mécanisme par lequel la polymérisation d’actine peut générer les forces à l’origine du phénomène de motilité cellulaire. La maîtrise de l’organisation des filaments autorise à étudier deux situations idéales. Dans l’une les filaments sont très fluctuants, et nous montrons que leur longueur est indépendante de la force appliquée. Ceci n’est plus vrai dans la deuxième situation, où les filaments rigides poussent face à la charge. Nous mesurons ainsi pour la première fois l’eet d’une force sur la vitesse de polymérisation de l’actine. Un modèle numérique de type Brownian ratchet sans partage de la charge permet de décrire la force générée.

The polymerization of actin in filaments generates forces that play a pivotal role in many cellular processes. We introduce a novel technique to determine the force-velocity relation when a few independent anchored filaments grow between magnetic colloidal particles. When a magnetic field is applied, the colloidal particles assemble into chains under controlled loading or spacing. As the filaments elongate, the beads separate, allowing the force-velocity curve to be precisely measured. In the widely accepted Brownian ratchet model, the transduced force is associated with the slowing down of the on-rate polymerization. Unexpectedly, in our experiments, filaments are shown to grow at the same rate as when they are free in solution. However, as they elongate, filaments are more confined in the interspace between beads. Higher repulsive forces result from this higher confinement, which is associated with a lower entropy. In this mechanism, the production of force is not controlled by the polymerization rate, but is a consequence of the restriction of filaments' orientational fluctuations at their attachment point.

We study the thermal expansion of chains formed by self-assembly of magnetic colloidal particles in a magnetic field. Using video microscopy, complete positional data of all the particles of the chains is obtained. By changing the ionic strength of the solution and the applied magnetic field, the interaction potential can be tuned. We analyze the thermal expansion of the chain using a simple model of a one-dimensional anharmonic crystal of finite size.

In 1994 Leal Calderon et al. (Phys. Rev. Lett. 72, 2959 (1994)) introduced the magnetic chaining technique to directly probe the force-distance profile between colloidal particles. In this paper, we revisit this approach in two ways. First, we describe a new experimental design which allows us to utilize sample volumes as low as a few microliters, involving femtomoles of surface active macromolecules. Secondly, we extensively describe the characterization and preparation of the magnetic colloids, and we give a quantitative evaluation of performance and resolution of the technique in terms of force and interparticle separation.

Plusieurs mécanismes biologiques utilisent la polymérisation des filaments d’actine comme moteur mécanique. L’énergie chimique libérée à l’addition d’un monomère dans le filament est convertie en travail mécanique et une force est générée. Les filaments ainsi formés s’organisent grâce à des protéines liant l’actine et forment des structures qui diffèrent par leurs propriétés mécaniques et élastiques mais aussi de leurs fonctions dans les différents processus biologiques. Notre système expérimental permet d’étudier le lien entre les propriétés mécaniques et les mécanismes à l’origine de la production de la force. La polymérisation des filaments est directement initiée sur la surface de particules magnétiques. En présence d’un champ magnétique, ces dernières s’organisent en chaîne par des interactions dipôle-dipôle, et une force magnétique compressive est induite sur les filaments qui polymérisent. La polymérisation écartent les particules au cours du temps et en fonction de la force appliquée, la vitesse d’écartement des particules est ralentie. En suivant l’évolution de la distance entre particules, nous détaillons la relation force-vitesse et les propriétés mécaniques des filaments.