A bibliographical review of the high pressure studies of ferroelectric phase transitions

A brief review of the various high pressure studies on the phase transitions in ferroelectric crystals carried out over the past two decades is presented. The theoretical framework in which high pressure studies have to be viewed is given. The pressure data of ferroelectric crystals are organized in the form of tables. High pressure spectroscopic and structural studies are included. The review contains a bibliography of over two hundred references.

Phase Behavior and dewetting for polymer blend films studied by in situ AFM and XPS: From thin to ultrathin films

In this work, the film thickness (l(0)) effect on the phase and dewetting behaviors of the blend film of poly(methyl methacrylate)/poly (styrene-ran-acrylonitrile) (PMMA/SAN) has been studied by in situ atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The thinner film shows the more compatibility of the blend, and the phase separation of the film occurs at l(0) > 5R(g) (radius of gyration). An initially time-independent q*, the characteristic wavenumber of the phase image, which is in good agreement of Cahn's linearized theory for the early stage of spinodal decomposition, has been obtained in real space and discussed in detail. For 5R(g) > l(0) > 3R(g), a "pseudo-dewetting/(phase separation + wetting)" behavior occurs, where the pseudo-wetting is driven by the concentration fluctuation mechanism. For 10 < 3R(g), a "real dewetting/(phase separation + wetting)" behavior occurs.

Pressure-jump X-ray studies of liquid crystal transitions in lipids

In this paper, we give an overview of our studies by static and time-resolved X-ray diffraction of inverse cubic phases and phase transitions in lipids. In 1, we briefly discuss the lyotropic phase behaviour of lipids, focusing attention on non-lamellar structures, and their geometric/topological relationship to fusion processes in lipid membranes. Possible pathways for transitions between different cubic phases are also outlined. In 2, we discuss the effects of hydrostatic pressure on lipid membranes and lipid phase transitions, and describe how the parameters required to predict the pressure dependence of lipid phase transition temperatures can be conveniently measured. We review some earlier results of inverse bicontinuous cubic phases from our laboratory, showing effects such as pressure-induced formation and swelling. In 3, we describe the technique of pressure-jump synchrotron X-ray diffraction. We present results that have been obtained from the lipid system 1:2 dilauroylphosphatidylcholine/lauric acid for cubic-inverse hexagonal, cubic-cubic and lamellar-cubic transitions. The rate of transition was found to increase with the amplitude of the pressure-jump and with increasing temperature. Evidence for intermediate structures occurring transiently during the transitions was also obtained. In 4, we describe an IDL-based 'AXCESS' software package being developed in our laboratory to permit batch processing and analysis of the large X-ray datasets produced by pressure-jump synchrotron experiments. In 5, we present some recent results on the fluid lamellar-Pn3m cubic phase transition of the single-chain lipid 1-monoelaidin, which we have studied both by pressure-jump and temperature-jump X-ray diffraction. Finally, in 6, we give a few indicators of future directions of this research. We anticipate that the most useful technical advance will be the development of pressure-jump apparatus on the microsecond time-scale, which will involve the use of a stack of piezoelectric pressure actuators. The pressure-jump technique is not restricted to lipid phase transitions, but can be used to study a wide range of soft matter transitions, ranging from protein unfolding and DNA unwinding and transitions, to phase transitions in thermotropic liquid crystals, surfactants and block copolymers.

Phase separation, porous structure, and cure kinetics in aliphatic epoxy resin containing hyperbranched polyester

Thermosetting blends of an aliphatic epoxy resin and a hydroxyl-functionalized hyperbranched polymer (HBP), aliphatic hyperbranched polyester Boltorn H40, were prepared using 4,4'-diaminodiphenylmethane (DDM) as the curing agent. The phase behavior and morphology of the DDM-cured epoxy/HBP blends with HBP content up to 40 wt% were investigated by differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), and scanning electron microscopy (SEM). The cured epoxy/HBP blends are immiscible and exhibit two separate glass transitions, as revealed by DMA. The SEM observation showed that there exist two phases in the cured blends, which is an epoxy-rich phase and an HBP-rich phase, which is responsible for the two separate glass transitions. The phase morphology was observed to be dependent on the blend composition. For the blends with HBP content up to 10 wt%, discrete HBP domains are dispersed in the continuous cured epoxy matrix, whereas the cured blend with 40 wt% HBP exhibits a combined morphology of connected globules and bicominuous phase structure. Porous epoxy thermosets with continuous open structures on the order of 100-300 nm were formed after the HBP-rich phase was extracted with solvent from the cured blend with 40 wt% HBP. The DSC study showed that the curing rate is not obviously affected in the epoxy/HBP blends with HBP content up to 40 wt %. The activation energy values obtained are not remarkably changed in the blends; the addition of HBP to epoxy resin thus does not change the mechanism of cure reaction of epoxy resin with DDM. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Analyse numérique du changement de phase solide-liquide autour d'un tube horizontal soumis à une sollicitation thermique périodique

Ce mémoire présente un modèle mathématique et numérique pour analyser le comportement d’une unité de stockage thermique à changement de phase solide-liquide représentée par un tube autour duquel se trouve le matériau à changement de phase. Le système est soumis à une charge oscillant entre le chauffage et le refroidissement. Une analyse d’ordre de grandeur permet de prédire le comportement du système en fonction des principaux nombres adimensionnels. Un paramètre adimensionnel est proposé pour délimiter les concepts dans lesquels la conduction domine par rapport à ceux où la convection naturelle domine. L’étude dévoile l’impact des paramètres de conception de l’unité de stockage thermique sur son fonctionnement et approfondit les connaissances dans le domaine du changement de phase avec convection naturelle. Différents indicateurs ont été développés pour analyser la performance du système, tels que les dimensions de la zone affectée thermiquement, le volume fondu ou solidifié et une analyse fréquentielle. Des corrélations sont proposées pour déterminer facilement le comportement du système.

Polymer Crystallization Influenced by Initial Orientation of Cylindrical Diblock Copolymers in Thin Films

The effect of the initial states (disordered perpendicular cylinder structure vs. parallel cylinder structure) on the crystallization of polystyrene-block-poly(ethylene oxide) (PS-b-PEO) thin films during cyclohexane annealing was investigated. The cylindrical domains perpendicular or parallel to the surface were obtained by controlling the film thickness. During solvent annealing, for the film with the perpendicular cylinders, the ordering degree of cylinders was increased.

The synchronization of superparamagnetic beads driven by a micro-magnetic ratchet.

We present theoretical, numerical, and experimental analyses on the non-linear dynamic behavior of superparamagnetic beads exposed to a periodic array of micro-magnets and an external rotating field. The agreement between theoretical and experimental results revealed that non-linear magnetic forcing dynamics are responsible for transitions between phase-locked orbits, sub-harmonic orbits, and closed orbits, representing different mobility regimes of colloidal beads. These results suggest that the non-linear behavior can be exploited to construct a novel colloidal separation device that can achieve effectively infinite separation resolution for different types of beads, by exploiting minor differences in their bead's properties. We also identify a unique set of initial conditions, which we denote the "devil's gate" which can be used to expeditiously identify the full range of mobility for a given bead type.

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

La structure de Jordan des matrices de transfert des modèles de boucles et la relation avec les hamiltoniens XXZ

Les modèles sur réseau comme ceux de la percolation, d’Ising et de Potts servent à décrire les transitions de phase en deux dimensions. La recherche de leur solution analytique passe par le calcul de la fonction de partition et la diagonalisation de matrices de transfert. Au point critique, ces modèles statistiques bidimensionnels sont invariants sous les transformations conformes et la construction de théories des champs conformes rationnelles, limites continues des modèles statistiques, permet un calcul de la fonction de partition au point critique. Plusieurs chercheurs pensent cependant que le paradigme des théories des champs conformes rationnelles peut être élargi pour inclure les modèles statistiques avec des matrices de transfert non diagonalisables. Ces modèles seraient alors décrits, dans la limite d’échelle, par des théories des champs logarithmiques et les représentations de l’algèbre de Virasoro intervenant dans la description des observables physiques seraient indécomposables. La matrice de transfert de boucles D_N(λ, u), un élément de l’algèbre de Temperley- Lieb, se manifeste dans les théories physiques à l’aide des représentations de connectivités ρ (link modules). L’espace vectoriel sur lequel agit cette représentation se décompose en secteurs étiquetés par un paramètre physique, le nombre d de défauts. L’action de cette représentation ne peut que diminuer ce nombre ou le laisser constant. La thèse est consacrée à l’identification de la structure de Jordan de D_N(λ, u) dans ces représentations. Le paramètre β = 2 cos λ = −(q + 1/q) fixe la théorie : β = 1 pour la percolation et √2 pour le modèle d’Ising, par exemple. Sur la géométrie du ruban, nous montrons que D_N(λ, u) possède les mêmes blocs de Jordan que F_N, son plus haut coefficient de Fourier. Nous étudions la non diagonalisabilité de F_N à l’aide des divergences de certaines composantes de ses vecteurs propres, qui apparaissent aux valeurs critiques de λ. Nous prouvons dans ρ(D_N(λ, u)) l’existence de cellules de Jordan intersectorielles, de rang 2 et couplant des secteurs d, d′ lorsque certaines contraintes sur λ, d, d′ et N sont satisfaites. Pour le modèle de polymères denses critique (β = 0) sur le ruban, les valeurs propres de ρ(D_N(λ, u)) étaient connues, mais les dégénérescences conjecturées. En construisant un isomorphisme entre les modules de connectivités et un sous-espace des modules de spins du modèle XXZ en q = i, nous prouvons cette conjecture. Nous montrons aussi que la restriction de l’hamiltonien de boucles à un secteur donné est diagonalisable et trouvons la forme de Jordan exacte de l’hamiltonien XX, non triviale pour N pair seulement. Enfin nous étudions la structure de Jordan de la matrice de transfert T_N(λ, ν) pour des conditions aux frontières périodiques. La matrice T_N(λ, ν) a des blocs de Jordan intrasectoriels et intersectoriels lorsque λ = πa/b, et a, b ∈ Z×. L’approche par F_N admet une généralisation qui permet de diagnostiquer des cellules intersectorielles dont le rang excède 2 dans certains cas et peut croître indéfiniment avec N. Pour les blocs de Jordan intrasectoriels, nous montrons que les représentations de connectivités sur le cylindre et celles du modèle XXZ sont isomorphes sauf pour certaines valeurs précises de q et du paramètre de torsion v. En utilisant le comportement de la transformation i_N^d dans un voisinage des valeurs critiques (q_c, v_c), nous construisons explicitement des vecteurs généralisés de Jordan de rang 2 et discutons l’existence de blocs de Jordan intrasectoriels de plus haut rang.

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Crystallographic structure of Ti-6Al-4V, Ti-HP and Ti-CP under high-pressure

The phase stability of a commercial purity (Ti-CP), high purity (Ti-HP) and Ti-6Al-4V alloy were investigated in a diamond anvil cell up to 32 GPa and 298 K using a polychromatic X-ray beam. The Ti-CP and Ti-HP shown the same HCP (c/a∼0.632) to Hexagonal (c/a∼1.63) non reversible martensitic transition at about 9 GPa. The as received Ti-6Al-4V shows a very low relative volume fraction β-Ti / α-Ti. No phase changes were observed in the Ti-6Al-4V alloy in the pressure range of this study. The α phase of the Ti-6Al-4V shows monotonic volume cell pressure dependence. This volume change is reversible and non-hysteretic. The cell of the a phase recovered its original volume when the pressure was released. © 2010 IOP Publishing Ltd.

Multiphase modeling of melting / solidification with high density variations using XFEM

La modélisation de la cryolite, utilisée dans la fabrication de l’aluminium, implique plusieurs défis, notament la présence de discontinuités dans la solution et l’inclusion de la difference de densité entre les phases solide et liquide. Pour surmonter ces défis, plusieurs éléments novateurs ont été développés dans cette thèse. En premier lieu, le problème du changement de phase, communément appelé problème de Stefan, a été résolu en deux dimensions en utilisant la méthode des éléments finis étendue. Une formulation utilisant un multiplicateur de Lagrange stable spécialement développée et une interpolation enrichie a été utilisée pour imposer la température de fusion à l’interface. La vitesse de l’interface est déterminée par le saut dans le flux de chaleur à travers l’interface et a été calculée en utilisant la solution du multiplicateur de Lagrange. En second lieu, les effets convectifs ont été inclus par la résolution des équations de Stokes dans la phase liquide en utilisant la méthode des éléments finis étendue aussi. Troisièmement, le changement de densité entre les phases solide et liquide, généralement négligé dans la littérature, a été pris en compte par l’ajout d’une condition aux limites de vitesse non nulle à l’interface solide-liquide pour respecter la conservation de la masse dans le système. Des problèmes analytiques et numériques ont été résolus pour valider les divers composants du modèle et le système d’équations couplés. Les solutions aux problèmes numériques ont été comparées aux solutions obtenues avec l’algorithme de déplacement de maillage de Comsol. Ces comparaisons démontrent que le modèle par éléments finis étendue reproduit correctement le problème de changement phase avec densités variables.