Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Cinétique de photolyse d’oxydes d’azote sous rayonnement UV

Le smog photochimique est un phénomène qui prend de l'ampleur dans les grandes villes industrialisées. Il est la cause de plusieurs maladies respiratoires. Son apparition provient majoritairement des polluants émis par les véhicules automobiles, soit les hydrocarbures et les oxydes d'azote. Le rayonnement du soleil interagit avec ces espèces chimiques et le dioxygène présent dans l'atmosphère pour mener à une production d'ozone troposphérique importante. L'ozone en basse altitude endommage les écosystèmes et est nocif pour la santé humaine. Le sujet de recherche est d'abord axé sur la réaction limitante du processus qui crée le smog photochimique : la photolyse du dioxyde d'azote. Quoique cette réaction est assez bien connue dans la littérature en phase gazeuse, les données expérimentales en phase condensée sont manquantes. Les travaux ont été effectués dans le but de combler le manque d'information à ce sujet. En premier lieu, les conditions optimales pour l'isolation du NO[indice inférieur 2] par matrice de gaz rare ont été déterminées. Par la suite, l'irradiation des échantillons du mélange NO[indice inférieur 2] et gaz rare a été effectuée. Par spectroscopie infrarouge à angle rasant, il a été possible de suivre l'évolution de la destruction des molécules de NO[indice inférieur 2] en fonction du temps. Différentes hypothèses sont émises afin d'interpréter les données de cinétique obtenues. Ces hypothèses sont alors testées à partir d'expériences sous-jacentes ou expliquées selon des principes théoriques. Finalement, un modèle exprimant le profil du champ électrique à l'intérieur de films minces a été construit. Ce modèle s'inspire des effets d'interférences observés par spectroscopie d'absorption-réflexion. En guise de conclusion, une proposition d'expérience pour supporter le modèle du champ électrique est décrite. La portée du modèle s'étend à tous les processus impliquant un rayonnement lumineux sur une surface réfléchissante. Bien qu'il serve principalement à expliquer le taux de photolyse observé dans le cadre du projet de maîtrise, le modèle est applicable à plusieurs spectroscopies en réflexion.

Dégradation chimique de l’interface cathodique carbone-fonte de cellules de production d’aluminium

Les producteurs d’aluminium sont des acteurs majeurs dans l’économie du Québec. Le métal gris est apprécié pour sa légèreté et sa résistance à la corrosion. Bien qu’il possède des qualités indéniables, sa production consomme une quantité considérable d’électricité. L’amélioration de l’efficacité énergétique du procédé est donc primordiale d’un point de vue économique et environnemental. L’étude du contact électrique entre le carbone et la fonte à l’intérieur de l’ensemble cathodique fait partie de la liste des paramètres pour optimiser la consommation énergétique de la cellule Hall-Héroult. Ce contact doit offrir une résistance minimale au passage du courant nécessaire pour la réaction d’électrolyse. Au cours du temps, la qualité du contact se dégrade en raison de la transformation physique et chimique des matériaux. Cette thèse se concentre sur l’étude de la dégradation chimique de la surface de la fonte. La première partie étudie la pénétration des composés chimiques provenant du bain d’électrolyse à l’intérieur du bloc de carbone. Le gonflement sodique suit généralement la diffusion du sodium, un sous-produit de la réaction cathodique, et du bain. Le gonflement causé par le sodium a été mesuré directement à l’aide de LVDT alors que la diffusion du bain électrolytique a été déterminée par microtomographie à rayons X. La seconde partie évalue le mécanisme de la dégradation du contact électrique entre le carbone et la fonte. Des travaux en laboratoire ont été réalisés pour quantifier l’impact des paramètres d’opération. Les résultats obtenus ont été comparés par la suite à des échantillons industriels provenant de deux technologies pour évaluer leur degré de dégradation. Un modèle numérique a été calibré à partir de ces résultats pour estimer l’effet de la dégradation de la fonte sur la chute de voltage cathodique. Les résultats démontrent que les paramètres d’opération de la cellule d’électrolyse ont des effets sur la vitesse de pénétration des espèces chimiques dans le bloc de carbone. Un bain plus riche en sodium ou une densité de courant cathodique plus élevée augmente la vitesse de pénétration. La présence d’une nappe d’aluminium au démarrage de l’électrolyse au contraire divise le gonflement et la pénétration du bain de moitié. La vitesse de dégradation de la fonte suit la même tendance. De plus, une augmentation de température de 50 °C provoque une fusion partielle de la surface de la fonte. Ces résultats intégrés au modèle numérique montre que la dégradation du contact entre le carbone et la fonte augmente la chute de voltage cathodique mais aussi change la distribution du courant à la surface du bloc de carbone. La détermination du mécanisme de dégradation de la fonte par des essais en laboratoire combinée avec la pénétration des espèces chimiques constitue l’apport original de cette thèse et ceci permet d’éclaircir le processus d’évolution de ce contact électrique sous condition d’opération.

Vapor phase oxidation of p-xylene

The kinetics of the vapor phase oxidation of p-xylene over ferric molybdate catalyst were studied in an isothermal, differential, tubular flow reactor in the temperature range of 360 to 420° C. The major product obtained was p-tolualdehyde with small amounts of maleic anhydride and p-toluic acid. No terephthalic acid or CO2 were observed. The reaction rate data collected fit the redox model given by Equation 1. The values of activation energies Ex, Eo and frequency factors Ax, Ao obtained are 72, 63 kJ/mol and 0.64, 2.89 m3/kg catalyst s respectively. The reaction mechanism was established by studying the oxidation of p-tolualdehyde, toluic and terephthalic acids. It is concluded that the reaction follows a parallel-consecutive scheme. On a étudié la cinétique de l'oxydation, en phase gazeuse, du para-xylène sur un catalyseur consistant en molybdate ferrique; cette oxydation s'est faite dans un réacteur à écoulement tubulaire, isothermique et différentiel, dans une échelle de températures comprises entre 360°C et 420°C. Le produit principal obtenu a été le para-tolualdéhyde; on a aussi trouvé de faibles quantités d'anhydride maléique et d'acide para-toluique, mais on n'a pas noté la présence d'acide téréphtalique ni d'anhydride carbonique (CO2). Les résultats obtenus en ce qui a trait à la vitesse de réaction concordent bien avec les données du modèle redox indiquées par l'équation 1. Les valeurs des énergies d'activation Ex et Eo ainsi que des facteurs de fréquence Ax et Ao obtenus sont respectivement 72 et 63 kilojoules/mol. et 0.64 × 103 et 2.89 m3/kg de catalyseur. On a établi le mécanisme de la réaction en étudiant l'oxydation du para-tolualdéhyde et des acides toluique et téréphtalique. On conclut que la réaction se fait d'une manière parallèle et consécutive.

Thermal decomposition of zirconyl oxalates I. Barium zirconyl oxalate

Conditions for the preparation of stoichiometric barium zirconyl oxalate heptahydrate (BZO) have been standardized. The thermal decomposition of BZO has been investigated employing TG, DTG and DTA techniques and chemical and gas analysis. The decomposition proceeds through four steps and is not affected much by the surrounding gas atmosphere. Both dehydration and oxalate decomposition take place in two steps. The formation of a transient intermediate containing both oxalate and carbonate groups is inferred. The decomposition of oxalate groups results in a carbonate of composition Ba2Zr2O5CO3, which decomposes between 600 and 800° and yields barium zirconate. Chemical analysis, IR spectra and X-ray powder diffraction data support the identity of the intermediate as a separate entity.Die Bedingungen für die Herstellung von stöchiometrischem Barium-zirconyl-oxalat Heptahydrat (BZO) wurden standardisiert. Die thermische Zersetzung von BZO wurde unter Einsatz der TG-, DTG- und DTA, sowie der chemischen und Gasanalyse untersucht. Die Zersetzung verläuft über vier Stufen und wird von der umgebenden Gasathmosphäre nicht besonders beeinflusst. Sowohl die Dehydratisierung als auch die Oxalatzersetzung erfolgt in zwei Stufen. Die Bildung einer intermediären Übergangsverbindung mit sowohl Oxalat- als auch Carbonatgruppen wirken hierbei mit. Die Zersetzung der Oxalatgruppen ergibt ein Carbonat der Zusammensetzung Ba2Zr2O5CO3, das zwischen 600 und 800° zersetzt wird und Bariumzirconat ergibt. Die Angaben der chemischen Analyse, der IR-Spekren und der Röntgen-Pulver-Diffraktion unterstützen die Identität der Intermediärverbindung als eine separate Einheit.On a standardisé les conditions de préparation de l'oxalate heptahydraté de zirconyle et de baryum (BZO) stoechiométrique. On a étudié la décomposition thermique de BZO par TG, TGD et ATD ainsi que par analyses chimiques et analyses des gaz. La décomposition a lieu en quatre étapes et n'est pas trop influencée par l'atmosphère ambiante. La déshydratation et la décomposition de l'oxalate ont lieu en deux étapes. Il se forme un composé intermédiaire de transition contenant à la fois les groupes oxalate et carbonate. La décomposition des groupes oxalate fournit un carbonate de composition Ba2Zr2O5CO3 qui se décompose entre 600 et 800° pour fournir du zirconate de baryum. L'analyse chimique, les spectres IR et la diffraction des rayons X sur poudre, apportent les preuves de l'existence d'un composé intermédiaire comme entité séparée.

Analysis and adsorption of phosalone on aquatic sediment

Phosalone is a non systematic, wide spectrum organophosphate pesticide which was discovered in 1961 in the laboratories of the Societe des Usines Chimique Rhone-Poulenc in France. It has been approved for commercial use since 1964 in France, in Australia since 1966, in the United Kingdom in 1967 and in many other countries including Japan, Egypt, USSR and the USA. This study provides a full literature review on all aspects of phosalone including its physical, biological and chemical characteristics, and analytical methods of analysis with particular reference to soils/sediments. Furthermore, it aims to develop a method for the determintion of phosalone in aquatic sediments and to determine the adsorption of phosalone onto kaolinite.

Mechanistic study on spraying of blended biodiesel using phase Doppler anemometry

Droplet size and dynamics of blended palm oil-based fatty acid methyl ester (FAME) and diesel oil spray were mechanistically investigated using a phase Doppler anemometry. A two-fluid atomizer was applied for dispersing viscous blends of blended biodiesel oil with designated flow rates. It was experimentally found that the atomizer could generate a spray with large droplets with Sauter mean diameters of ca. 30 mm at low air injection pressure. Such large droplets traveled with a low velocity along their trajectory after emerging from the nozzle tip. The viscosity of blended biodiesel could significantly affect the atomizing process, resulting in the controlled droplet size distribution. Blended biodiesel with a certain fraction of palm oil-based FAME would be consistently atomized owing to its low viscosity. However, the viscosity could exert only a small effect on the droplet velocity profile with the air injection pressure higher than 0.2 MPa.

Characteristics of Biodiesel Oil Atomized by a Two-Fluid Nozzle Using PDA

Drop size and velocity distribution in a spray of fuel play an important role in determining combustion efficiency. The Phase Doppler anemometer (PDA) is a well-established technique allowing simultaneous measurement of velocity and size of droplets. In this work, effect of bio-substitute component on the size and velocity of biodiesel droplets which are generated by a two-fluid nozzle are investigated comprehensively using a PDA.

Effect of biodiesel oil composition on droplet size distribution

Droplet size distribution of biodiesel oil with various compositions was investigated in this work. The droplets generated by a two-fluid atomizer were measured by a commercial PDA. It was found that viscosity of the fuel has a strong effect on the drop size distribution. Additionally, effect of air injection pressures applied to atomize the spray was taken into account. Shear force induced by flow field exerts an effect on distribution of biodiesel droplets in atomized spray.

Utilisation de la Calorimétrie à Titrage Isotherme pour l'étude des interactions entre (bio)molécules

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Comparison of the thermodynamics and base-pair dynamics of a full LNA:DNA duplex and of the isosequential DNA:DNA duplex

Locked nucleic acids (LNA), conformationally restricted nucleotide analogues, are known to enhance pairing stability and selectivity toward complementary strands. With the aim to contribute to a better understanding of the origin of these effects, the structure, thermal stability, hybridization thermodynamics, and base-pair dynamics of a full-LNA:DNA heteroduplex and of its isosequential DNA:DNA homoduplex were monitored and compared. CD measurements highlight differences in the duplex structures: the homoduplex and heteroduplex present B-type and A-type helical conformations, respectively. The pairing of the hybrid duplex is characterized, at all temperatures monitored (between 15 and 37 degrees C), by a larger stability constant but a less favorable enthalpic term. A major contribution to this thermodynamic profile emanates from the presence of a hairpin structure in the LNA single strand which contributes favorably to the entropy of interaction but leads to an enthalpy penalty upon duplex formation. The base-pair opening dynamics of both systems was monitored by NMR spectroscopy via imino protons exchange measurements. The measurements highlight that hybrid G-C base-pairs present a longer base-pair lifetime and higher stability than natural G-C base-pairs, but that an LNA substitution in an A-T base-pair does not have a favorable effect on the stability. The thermodynamic and dynamic data confirm a more favorable stacking of the bases in the hybrid duplex. This study emphasizes the complementarities between dynamic and thermodynamical studies for the elucidation of the relevant factors in binding events.

Experimental investigation of thermal structures in regular three-dimensional falling films

Interfacial waves on the surface of a falling liquid film are known to modify heat and mass transfer. Under non-isothermal conditions, the wave topology is strongly influenced by the presence of thermocapillary (Marangoni) forces at the interface which leads to a destabilization of the film flow and potentially to critical film thinning. In this context, the present study investigates the evolution of the surface topology and the evolution of the surface temperature for the case of regularly excited solitary-type waves on a falling liquid film under the influence of a wall-side heat flux. Combining film thickness (chromatic confocal imaging) and surface temperature information (infrared thermography), interactions between hydrodynamics and thermocapillary forces are revealed. These include the formation of rivulets, film thinning and wave number doubling in spanwise direction. Distinct thermal structures on the films’ surface can be associated to characteristics of the surface topology.

Le statuts y stématique du Genévrier oxycédre Junyperus oxycedrus L. (Cupressacées): une contribution d'ordre biochimique et biométrique

Dimensiosis des galbules et/ou teneur en prodelphinidine des aiguilles permettent trés généralement de déterminer les sous-espéces oxycedrus et macrocarpa, respectivement septentrionale-continentale et méridionale-insulaire, du Genévrier oxyeédre Juniperus oxycedrus L. Parcontre, la sous-espéce nord-africaine rufescens (en montagne) ne parah pas distinguable à ces titres de la sous-espéce type. Mais l’étude biochimique plus approfondie d’une (méta)population languedocienne montre l’existence d’un polymorphisme proanthocyanique indépendant de la taille des galbules. Les deux sous-espéces classiquement reconnues pourraient donc n’étre que les formes extremes, homozygotes pour le caractére chimique considéré, d’un méme génóme spécifique. Si les spécimens littoraux (Corse, Majorque, Maghreb) correspondent bien à la pleine expression (= prodelphinidine forte) de ce polymorphisme, certains échantillons «péri-littoraux» (Baléares et Languedoc) trahissent une introgression (actuelle ou ancienne) ayee appartion d’individus hétérozygotes, aux teneurs intermédiaires: des génes «macrocarpa» sont done bien presents au nord de la Méditerranée, méme si le phénoméne n’est pas morphologiquement décelable, et ne mérite pas d’étre formalisé en termes systématiques.

Implication de la prostaglandine D2 dans le contrôle du métabolisme osseux chez l'homme

Les prostaglandines sont des médiateurs lipidiques impliqués dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques. De récentes évidences dans la littérature ainsi que de notre laboratoire ont fait ressortir le fait que la PGD2 pourrait être impliquée dans le contrôle du métabolisme osseux. Mes travaux de doctorat ont été effectués selon cette hypothèse et ont déterminé l’effet de la PGD2 sur la différenciation des cellules souches mésenchymateuses et des précurseurs ostéoclastiques, en plus d’étudier le rôle de cette prostaglandine dans la réparation des fractures chez l’homme. De plus, j’ai étudié l’internalisation et la désensibilisation des récepteurs de la PGD2, DP et CRTH2. D’un point de vue moléculaire, mes résultats démontrent un patron d’internalisation et désensibilisation différent pour les 2 récepteurs de la PGD2. Bien que la cinétique d’internalisation de ces récepteurs soit la même, l’internalisation de DP est régulée par les arrestines 2 et 3, la GRK2 et la PKC, alors que l’arrestine 3, les GRK2, 5 et 6, PKC et PKA régulent celle de CRTH2. L’internalisation de DP et CRTH2 est réduite par la co-expression de Rab4 et Rab11 respectivement, ce qui suggère des systèmes de recyclage différents. En analysant la signalisation de ces récepteurs, nous avons découvert que la GRK2 régule la signalisation de DP, alors que les 3 GRKs étudiées, soient les GRK2, 5 et 6 régulent la signalisation de CRTH2. Nous avons également démontré que les récepteurs de la PGD2 ont des effets différents sur la différenciation des CSMs humaines. En effet, la différenciation adipocytaire est augmentée de façon significative par la PGD2 et cet effet est dû à l’activation du récepteur PPAR-γ par un métabolite de la PGD2. L’activation du récepteur DP diminue l’adipogenèse alors que CRTH2 n’y joue pas de rôle significatif. Cependant, CRTH2 augmente significativement la différenciation des CSM en ostéoblastes, alors que l’activation de DP l’inhibe. Mes travaux ont montré que la PGD2 module l’ostéoclastogenèse et la résorption osseuse en abaissant l’expression de gènes impliqués dans celles-ci. En effet, les gènes NFATC1, RANK et CathK sont fortement régulés à la baisse par l’activation des récepteurs de la PGD2. Pour terminer, nous avons identifié l’axe de la PGD2 comme étant important lors du remodelage osseux chez l’homme. En comparant une cohorte de patients ayant une fracture osseuse à des contrôles, nous avons découvert que la production de PGD2 et l’expression d’une de ses synthétases sont significativement plus élevées que chez les contrôles. Parallèlement, la production de PGE2 ne diffère pas entre les groupes indiquant que l’augmentation de PGD2 n’est pas due à l’inflammation non spécifique causée par la fracture. De plus, l’augmentation de synthèse de PGD2 corrèle avec l’augmentation de la BAP, un marqueur clinique de formation osseuse. J’ai donc démontré que la PGD2, par l’entremise de l’activation de CRTH2, est un médiateur lipidique important pour la physiologie osseuse et que son activation pourrait favoriser l’anabolisme osseux.