DOMINANCE OF SHORT-RANGE-ORDER EFFECTS IN LOW-ENERGY ELECTRON-DIFFRACTION INTENSITY SPECTRA

Using low-energy electron-diffraction (LEED) formalism, we demonstrate theoretically that LEED I-V spectra are characterized mainly by short-range order. We also show experimentally that diffuse LEED (DLEED) I-V spectra can be accurately measured from a disordered system using a video-LEED system even at very low coverage. These spectra demonstrate that experimental DLEED I-V spectra from disordered systems may be used to determine local structures. As an example, it is shown that experimental DLEED I-V spectra from K/Co {1010BAR} at potassium coverages of 0.07, 0.1, and 0.13 monolayer closely resemble calculated and experimental LEED I-V spectra for a well-ordered Co{1010BAR}-c(2X2)-K superstructure, leading to the conclusion that at low coverages, potassium atoms are located in the fourfold-hollow sites and that there is no large bond-length change with coverage.

A STUDY ON THE HOLOGRAPHIC TRANSFORM FOR ELECTRON-DIFFRACTION FROM SURFACES

We break down photoelectron diffraction intensities into four terms in analogy to optical holography and discuss the effect of each term on reconstructed images. The second term involving products of scattered waves SIGMA-SIGMA-O(i)O(j)*, is in this case not structure-less. Theoretical analysis and simulations demonstrate that this term may lead to spurious features in real space images in holographic transforms of medium energy electron diffraction patterns. If it is small enough the problem may be overcome by an iterative correction process.

Structure and dynamics of aqueous 2-propanol: A THz-TDS, NMR and neutron diffraction study

Aqueous liquid mixtures, in particular, those involving amphiphilic species, play an important role in many physical, chemical and biological processes. Of particular interest are alcohol/water mixtures; however, the structural dynamics of such systems are still not fully understood. Herein, a combination of terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) and NMR relaxation time analysis has been applied to investigate 2-propanol/water mixtures across the entire composition range; while neutron diffraction studies have been carried out at two specific concentrations. Excellent agreement is seen between the techniques with a maximum in both the relative absorption coefficient and the activation energy to molecular motion occurring at ∼90 mol% H₂O. Furthermore, this is the same value at which well-established excess thermodynamic functions exhibit a maximum/minimum. Additionally, both neutron diffraction and THz-TDS have been used to provide estimates of the size of the hydration shell around 2-propanol in solution. Both methods determine that between 4 and 5 H₂O molecules per 2-propanol are found in the 2-propanol/water clusters at 90 mol% H₂O. Based on the acquired data, a description of the structure of 2-propanol/water across the composition range is presented.

Optically controlled dense current structures driven by relativistic plasma aperture-induced diffraction

The collective response of charged particles to intense fields is intrinsic to plasma accelerators and radiation sources, relativistic optics and many astrophysical phenomena. Here we show that a relativistic plasma aperture is generated in thin foils by intense laser light, resulting in the fundamental optical process of diffraction. The plasma electrons collectively respond to the resulting laser near-field diffraction pattern, producing a beam of energetic electrons with a spatial structure that can be controlled by variation of the laser pulse parameters. It is shown that static electron-beam and induced-magnetic-field structures can be made to rotate at fixed or variable angular frequencies depending on the degree of ellipticity in the laser polarization. The concept is demonstrated numerically and verified experimentally, and is an important step towards optical control of charged particle dynamics in laser-driven dense plasma sources.

Solid state NMR chemical shifts as an alternative to diffraction data in the determination of SIC polytypic structures

Silicon carbide, which has many polytypic modifications of a very simple and very symmetric structure, is an excellent model system for exploring, the relationship between chemical shift, long-range dipolar shielding, and crystal structure in network solids. A simple McConnell equation treatment of bond anisotropy effects in a poly type predicts chemical shifts for silicon and carbon sites which agree well with the experiment, provided that contributions from bonds up to 100 A are included in the calculation. The calculated chemical shifts depend on three factors: the layer stacking sequence, electrical centre of gravity, and the spacings between silicon and carbon layers. The assignment of peaks to lattice sites is proved possible for three polytypes (6H, 15R, and 3C). The fact that the calculated chemical shifts are very sensitive to layer spacings provides us a potential way to detennine and refine a crystal structure. In this work, the layer spacings of 6H SiC have been calculated and are within X-ray standard deviations. Under this premise, the layer spacings of 15R have been detennined. 29Si and 13C single crystal nmr studies of 6H SiC polytype indicate that all silicons and carbons are magnetically anisotropic. The relationship between a magnetic shielding tensor component and layer spacings has been derived. The comparisons between experimental and semi-empirical chemical shielding tensor components indicate that the paramagnetic shielding of silicon should be included in the single crystal chemical shift calculation.

The measured variation of the Debye-Waller factor of aluminum from 295K to 815K by using the energy dispersive x-ray diffraction technique

The Energy Dispersive X-ray Diffraction System at Brock University has been used to measure the intensities of the diffraction lines of aluminum powder sample as a function of temperature. At first, intensity measurements at high temperature were not reproducible. After some modifications have been made, we were able to measure the intensities of the diffraction lines to 815K, with good accuracy and reproducibility. Therefore the changes of the Debye-Waller factor from room temperature up to 815K for aluminum were determined with precision. Our results are in good agreement with those previously published.

X-ray diffraction studies of muscle : observations on the anterior byssus retractor muscle of Mytilus edulis and the insect flight muscle from Sarcophaga bullata

The interfilament spacing of the anterior byssus retractor muscle from Mytilus edulis was studied as the muscle was extended. It was found that variations in this spacing were very small and consistent with the hypothesis that the interfilament spacing was independent of the extension of the muscle. It was observed that the interfilament spacing was dependent on the osmolarity of the bathing medium. In concentrated solutions of the artificial seawater, the interfilament spacing decreased; while in dilute solutions of artificial seawater, it was observed that the interfilament spacing was increasing. X-ray diffraction patterns were obtained from fresh, and glutaraldehyde fixed, specimens of insect flight muscle from Sarcophaga bullata. There patterns were in general agreement with previous X-ray diffraction studies of insect flight muscle. A reflexion G at 93A was observed and interpreted as arising from diffraction in the mitochondria. Specimens of dried insect flight muscle produced a diffraction pattern consisting of arc and ring reflexions. This was interpreted as suggesting an ordered arrangement of cristae, in the mitochondria from these muscles.

X-ray diffraction from Al powder using energy dispersive technique

Using the energy dispersive x ...ray diffraction (EDXD) technique, the room temperature diffraction pattern of Al powder was obtained at diffraction angles ~ 30° and 50°. From the small angle diffraction pattern the average relative intensities (IR) of the (111), (200), and (220) lines were measured to be equal to 100, 62, and 32 respectively. From the large diffraction angle IR for the (220), (311+222), (400), (331+420), and (422) lines were measured to be 100,201,17,90, and 19.5 respectively. The diffraction pattern at those two angles were obtained at several higher temperatures to measure the change in the intensities of the Al lines. From the intensity changes the increase of the Debye- Waller temperature factor, i.e ~B(T), with respect to the value at room temperature was determined to be 0.6+0.1 at 250°C, 1.10+0.15 at 350°C, 1.45+0.20 at 450°C, and 2.20±0.35 at 550°C.

X-ray diffraction of a gram-negative bacterial membrane mimetic

This thesis applies x-ray diffraction to measure he membrane structure of lipopolysaccharides and to develop a better model of a LPS bacterial melilbrane that can be used for biophysical research on antibiotics that attack cell membranes. \iVe ha'e Inodified the Physics department x-ray machine for use 3.'3 a thin film diffractometer, and have lesigned a new temperature and relative humidity controlled sample cell.\Ve tested the sample eel: by measuring the one-dimensional electron density profiles of bilayers of pope with 0%, 1%, 1G :VcJ, and 100% by weight lipo-polysaccharide from Pse'udo'lTwna aeTuginosa. Background VVe now know that traditional p,ntibiotics ,I,re losing their effectiveness against ever-evolving bacteria. This is because traditional antibiotic: work against specific targets within the bacterial cell, and with genetic mutations over time, themtibiotic no longer works. One possible solution are antimicrobial peptides. These are short proteins that are part of the immune systems of many animals, and some of them attack bacteria directly at the membrane of the cell, causing the bacterium to rupture and die. Since the membranes of most bacteria share common structural features, and these featuret, are unlikely to evolve very much, these peptides should effectively kill many types of bacteria wi Lhout much evolved resistance. But why do these peptides kill bacterial cel: '3 , but not the cells of the host animal? For gramnegative bacteria, the most likely reason is that t Ileir outer membrane is made of lipopolysaccharides (LPS), which is very different from an animal :;ell membrane. Up to now, what we knovv about how these peptides work was likely done with r !10spholipid models of animal cell membranes, and not with the more complex lipopolysa,echaricies, If we want to make better pepticies, ones that we can use to fight all types of infection, we need a more accurate molecular picture of how they \vork. This will hopefully be one step forward to the ( esign of better treatments for bacterial infections.

Effet de la symétrie sur la supraconductivité de LaRhSi3 et la frustration magnétique du SrRE2O4 (RE = Dy ou Ho)

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales.

Électrofilage de complexes de polymères

Ce travail a permis de démontrer que l’électrofilage, ainsi que l’électronébulisation, sont des méthodes faciles et efficaces de préparation de complexes entre des polymères et des petites molécules. En effet, la plupart des méthodes de préparation de complexes donnent des mélanges inhomogènes à cause de la cristallisation cinétiquement favorisée des petites molécules. Or, un mélange inhomogène peut être très difficile à caractériser. Dans ce travail, l’électrofilage a été utilisé pour la première fois avec succès pour obtenir des nanofils de complexe entre le poly(oxyde d’éthylène) (PEO) et le NaSCN (PEO-NaSCN) ainsi qu’entre le PEO et l’hydroquinone. L’électronébulisation a été utilisée pour obtenir du complexe entre la polycaprolactone (PCL) et l’urée. L’électrofilage n’était pas possible pour le système PCL-urée parce que la solubilité n’était pas suffisante pour atteindre la viscosité minimale requise pour l’électrofilage. L’électronébulisation peut donc complémenter l’électrofilage et rendre la technique applicable à encore plus de systèmes. Les systèmes ont été caractérisés par spectroscopie infrarouge (FT-IR), par diffraction de rayons X (XRD), par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par microscopies optique et électronique à balayage.

Novel approaches to the synthesis and treatment of cathode materials for lithium-ion batteries

Nous avons mis au point une approche novatrice pour la synthèse d’un matériau de cathode pour les piles lithium-ion basée sur la décomposition thermique de l’urée. Les hydroxydes de métal mixte (NixMnxCo(1-2x)(OH)2) ont été préparés (x = 0.00 à 0.50) et subséquemment utilisés comme précurseurs à la préparation de l’oxyde de métal mixte (LiNixMnxCo(1-2x)O2). Ces matériaux, ainsi que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), sont pressentis comme matériaux de cathode commerciaux pour la prochaine génération de piles lithium-ion. Nous avons également développé un nouveau traitement post-synthèse afin d’améliorer la morphologie des hydroxydes. L’originalité de l’approche basée sur la décomposition thermique de l’urée réside dans l’utilisation inédite des hydroxydes comme précurseurs à la préparation d’oxydes de lithium mixtes par l’intermédiaire d’une technique de précipitation uniforme. De plus, nous proposons de nouvelles techniques de traitement s’adressant aux méthodes de synthèses traditionnelles. Les résultats obtenus par ces deux méthodes sont résumés dans deux articles soumis à des revues scientifiques. Tous les matériaux produits lors de cette recherche ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX), microscope électronique à balayage (MEB), analyse thermique gravimétrique (ATG) et ont été caractérisés électrochimiquement. La performance électrochimique (nombre de cycles vs capacité) des matériaux de cathode a été conduite en mode galvanostatique.

Poly(ethylene-co-acrylic acid) random copolymers : amphiphilic properties and self-assembly in aqueous medium

Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif principal la synthèse de copolymères statistiques à base d’éthylène et d’acide acrylique (AA). Pour cela, la déprotection des groupements esters d’un copolymère statistique précurseur, le poly(éthylène-co-(tert-butyl)acrylate), a été effectuée par hydrolyse à l’aide d’iodure de triméthylsilyle. La synthèse de ce précurseur est réalisée par polymérisation catalytique en présence d’un système à base de Palladium (Pd). Le deuxième objectif a été d’étudier et de caractériser des polymères synthétisés à l’état solide et en suspension colloïdale. Plusieurs copolymères précurseurs comprenant différents pourcentages molaires en tert-butyl acrylate (4 à 12% molaires) ont été synthétisés avec succès, puis déprotégés par hydrolyse pour obtenir des poly(éthylène-coacide acrylique) (pE-co-AA) avec différentes compositions. Seuls les copolymères comprenant 10% molaire ou plus de AA sont solubles dans le Tétrahydrofurane (THF) et uniquement dans ce solvant. De telles solutions peuvent être dialysées dans l’eau, ce qui conduit à un échange lent entre cette dernière et le THF, et l’autoassemblage du copolymère dans l’eau peut ensuite être étudié. C’est ainsi qu’ont pu être observées des nanoparticules stables dans le temps dont le comportement est sensible au pH et à la température. Les polymères synthétisés ont été caractérisés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ainsi que par spectroscopie Infra-Rouge (IR), avant et après déprotection. Les pourcentages molaires d’AA ont été déterminés par combinaison des résultats de RMN et ii de titrages conductimètriques. A l’état solide, les échantillons ont été analysés par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par Diffraction des rayons X. Les solutions colloïdales des polymères pE-co-AA ont été caractérisées par Diffusion dynamique de la lumière et par la DSC-haute sensibilité. De la microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de visualiser la forme et la taille des nanoparticules.

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.