Conception d’un nouveau type de concentrateur solaire réduisant le besoin de suivi du soleil

Depuis longtemps, le Soleil est vu comme une source renouvelable d’intérêt pour combler nos besoins en énergie. Or, le coût prohibitif de l’énergie solaire a jusqu’à maintenant rendu celle-ci peu utilisée. Pour accroître son adoption, il faut absolument rendre son coût concurrentiel avec celui des énergies fossiles. Pour cela, plusieurs possibilités existent. L’une d’elles est l’utilisation d’un système optique pour concentrer la lumière. Cette thèse présente donc une solution basée sur la conception d’un nouveau type de concentrateur solaire de basse-moyenne concentration fait de polymère dans le but de réduire son coût de fabrication. Les performances de ce système compact utilisant des microlentilles ont ensuite été améliorées par l’ajout d’un gradient d’indice de réfraction dans la matrice polymérique. Une analyse sommaire du coût de l’énergie produite par de tels dispositifs permet ensuite de conclure que les systèmes développés dans le cadre de ce projet de recherche ont un potentiel commercial. Pour cette raison, le concept le plus prometteur basé sur l’utilisation d’un gradient d’indice afin d’accroître les performances a fait état du dépôt d’une demande de brevet.

Nouveaux copolymères à base de thieno-pyrazine et thieno-thiadiazole pour l'électronique organique

Une partie appréciable de la recherche moderne dans le domaine du photovoltaïque est basée sur des systèmes organiques sur couches minces. Les photo-détecteurs organiques ne diffèrent des technologies photovoltaïques solaires que par leurs structures chimiques au sein de la couche active, ainsi que par certaines propriétés nécessaires à leurs viabilités. Afin d’obtenir un matériau photoactif dans le proche infrarouge, la structure chimique doit être choisie et conçue de façon à placer ses bandes d’absorptions aux bons endroits. Un contrôle précis de la bande interdite du polymère dictera à quel point ce matériau peut servir à des fins de photo-détections. Les unités thieno-pyrazine et thieno-thiadiazole sont reconnues comme ayant un fort caractère électronique et viennent aisément produire des polymères à faible bande interdite lorsqu’ elles y sont incorporées. Au sein d’un système à hétérojonction de type donneur / accepteur, la miscibilité entre ces deux est cruciale et viendra justifier les performances finales d’un dispositif. Cette miscibilité dictera la morphologie de la couche active, qui est trop souvent imprévisible lors de la conception des structures chimiques des composés. On peut par contre penser à baser une étude sur une morphologie déjà établie, en balisant la structure globale du polymère, tout en modifiant ses fonctionnalités pour avoir un contrôle sur les propriétés électroniques finales. Une structure de poly (4,4’’-didodecyl-2,2’:5’,2’’-terthiophène) dont la morphologie est connue sera donc utilisée dans ce projet et une modification de son thiophène central viendra moduler son activité optique pour en faire un bon candidat en photo-détection infrarouge. Ces travaux ont permis de développer de nouveaux polymères conjugués et de vérifier leurs propriétés électro-optiques.

Fibronectin/phosphorylcholine coatings on fluorocarboned surfaces: a study upon adsorption and grafting processes

Depuis ces dernières décennies, le domaine des biomatériaux a connu un essor considérable, évoluant de simples prothèses aux dispositifs les plus complexes pouvant détenir une bioactivité spécifique. Outre, le progrès en science des matériaux et une meilleure compréhension des systèmes biologiques a offert la possibilité de créer des matériaux synthétiques pouvant moduler et stimuler une réponse biologique déterminée, tout en améliorant considérablement la performance clinique des biomatériaux. En ce qui concerne les dispositifs cardiovasculaires, divers recouvrements ont été développés et étudiés dans le but de modifier les propriétés de surface et d’améliorer l’efficacité clinique des tuteurs. En effet, lorsqu’un dispositif médical est implanté dans le corps humain, son succès clinique est fortement influencé par les premières interactions que sa surface établit avec les tissus et les fluides biologiques environnants. Le recouvrement à la surface de biomatériaux par diverses molécules ayant des propriétés complémentaires constitue une approche intéressante pour atteindre différentes cibles biologiques et orienter la réponse de l’hôte. De ce fait, l’élucidation de l’interaction entre les différentes molécules composant les recouvrements est pertinente pour prédire la conservation de leurs propriétés biologiques spécifiques. Dans ce travail, des recouvrements pour des applications cardiovasculaires ont été créés, composés de deux molécules ayant des propriétés biologiques complémentaires : la fibronectine (FN) afin de promouvoir l’endothélialisation et la phosphorylcholine (PRC) pour favoriser l’hémocompatibilité. Des techniques d’adsorption et de greffage ont été appliquées pour créer différents recouvrements de ces deux biomolécules sur un polymère fluorocarboné déposé par traitement plasma sur un substrat en acier inoxydable. Dans un premier temps, des films de polytétrafluoroéthylène (PTFE) ont été utilisés en tant que surface modèle afin d’explorer l’interaction de la PRC et de la FN avec les surfaces fluorocarbonées ainsi qu’avec des cellules endothéliales et du sang. La stabilité des recouvrements de FN sur l’acier inoxydable a été étudiée par déformation, mais également par des essais statiques et dynamiques sous-flux. Les recouvrements ont été caractérisés par Spectroscopie Photoéléctronique par Rayons X, immunomarquage, angle de contact, Microscopie Électronique de Balayage, Microscopie de Force Atomique et Spectrométrie de Masse à Ionisation Secondaire à Temps de Vol (imagerie et profilage en profondeur). Des tests d’hémocompatibilité ont été effectués et l’interaction des cellules endothéliales avec les recouvrements a également été évaluée. La FN greffée a présenté des recouvrements plus denses et homogènes alors que la PRC quant à elle, a montré une meilleure homogénéité lorsqu’elle était adsorbée. La caractérisation de la surface des échantillons contenant FN/PRC a été corrélée aux propriétés biologiques et les recouvrements pour lesquels la FN a été greffée suivie de l’adsorption de la PRC ont présenté les meilleurs résultats pour des applications cardiovasculaires : la promotion de l’endothélialisation et des propriétés d’hémocompatibilité. Concernant les tests de stabilité, les recouvrements de FN greffée ont présenté une plus grande stabilité et densité que dans le cas de l’adsorption. En effet, la pertinence de présenter des investigations des essais sous-flux versus des essais statiques ainsi que la comparaison des différentes stratégies pour créer des recouvrements a été mis en évidence. D’autres expériences sont nécessaires pour étudier la stabilité des recouvrements de PRC et de mieux prédire son interaction avec des tissus in vivo.

Diffusion de la lumière dans les milieux complexes à base de cristaux liquides

Cette thèse présente les étapes de fabrication et les résultats de la caractérisation des modèles de tissu biologique fabriqués en utilisant des cristaux liquides et des polymères qui permettent de contrôler la diffusion et la transmission de la lumière par un champ électrique. Ce champ électrique entraîne un changement d’orientation des molécules de cristaux liquides, ce qui induit des variations locales de l’indice de réfraction dans ces matériaux. Nous avons utilisé ce contrôle de l’indice de réfraction pour contrôler le niveau de diffusion et de transmission dans différents types d’échantillons. Les échantillons utilisés sont faits a) de cristaux liquides purs, b) de sphères de polymère dans un environnement de cristaux liquides, c) de cristaux liquides ou de gouttelettes de cristaux liquides dans un environnement de polymère. Les travaux réalisés nous ont permis de proposer une méthode électro-optique pour simuler, à l’aide de cristaux liquides, des milieux diffusants tels que les tissus biologiques. Dans la recherche de modèles, nous avons montré qu’il est possible de contrôler, par la fréquence du champ électrique, des gouttelettes de cristaux liquides dispersées dans une matrice de polymère contenant des ions lithium. Une sensibilité sélective à la fréquence de la tension électrique appliquée en fonction de la taille des gouttelettes est observée. Par la suite, nous avons démontré l’effet de « quenching » interférentiel de la diffusion pour une sonde optique cohérente en étudiant des modèles non alignés (clustérisés) de cristaux liquides. Nous avons aussi démontré des applications potentielles de ce phénomène tel le filtrage en longueur d’onde par l’ajustement d’un champ électrique. Nous avons ensuite démontré que l’utilisation des cristaux liquides - dits « dual-frequency » - permet une modulation rapide des états ou des structures du matériau ainsi que de la transmission et de la diffusion de lumière de ce dernier. Enfin, nous avons aussi découvert que ces modèles peuvent être contrôlés pour retrouver le degré de polarisation de la lumière diffusée.

Composites and foams based on polylactic acid (PLA)

Cette étude est destinée à la production et à la caractérisation des composites d’acide polylactique (PLA) et des fibres naturelles (lin, poudre de bois). Le moussage du PLA et ses composites ont également été étudiés afin d’évaluer les effets des conditions de moulage par injection et du renfort sur les propriétés finales de ces matériaux. Dans la première partie, les composites constitués de PLA et des fibres de lin ont été produits par extrusion suivit par un moulage en injection. L’effet de la variation du taux de charge (15, 25 et 40% en poids) sur les caractéristiques morphologique, mécanique, thermique et rhéologique des composites a été évalué. Dans la deuxième étape, la poudre de bois (WF) a été choisie pour renforcer le PLA. La préparation des composites de PLA et WF a été effectuée comme dans la première partie et une série complète de caractérisations morphologique, mécanique, thermique et l’analyse mécanique dynamique ont été effectués afin d’obtenir une évaluation complète de l’effet du taux de charge (15, 25 et 40% en poids) sur les propriétés du PLA. Finalement, la troisième partie de cette étude porte sur les composites de PLA et de renfort naturel afin de produire des composites moussés. Ces mousses ont été réalisées à l’aide d’un agent moussant exothermique (azodicarbonamide) via le moulage par injection, suite à un mélange du PLA et de fibres naturelles. Dans ce cas, la charge d’injection (quantité de matière injectée dans le moule: 31, 33, 36, 38 et 43% de la capacité de la presse à injection) et la concentration en poudre de bois (15, 25 et 40% en poids) ont été variées. La caractérisation des propriétés mécanique et thermique a été effectuée et les résultats ont démontré que les renforts naturels étudiés (lin et poudre de bois) permettaient d’améliorer les propriétés mécaniques des composites, notamment le module de flexion et la résistance au choc du polymère (PLA). En outre, la formation de la mousse était également efficace pour le PLA vierge et ses composites car les masses volumiques ont été significativement réduites.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.