Towards and ab initio description of magnetism in ionic solids

The physical contributions to the KNiF3 magnetic exchange coupling integral have been obtained from specially designed ab initio cluster model calculations. Three important mechanisms have been identified. These are the delocalization of the magnetic orbitals into the anion p band, the variational contribution of the second-order interactions, and the many-body terms hidden in the two-body operator and the Heisenberg Hamiltonian.

Velocity fluctuations of fracturelike disruptions of associating polymer solutions

Velocity has been measured as a function of time for propagating crack tips as water is injected into solutions of end-capped associating polymers in a rectanguar Hele-Shaw cell. Measurements were performed for flows with different values of cell gap, channel width, polymer molecular weight, and polymer concentration. The condition for the onset of fracturelike behavior is well described by a Deborah number which uses the shear-thinning shear rate of the polymer solution as a characteristic frequency for network relaxation. At low molecular weight, the onset of fracturelike pattern evolution is accompanied by an abrupt jump in tip velocity, followed by a lower and approximately constant acceleration. At high molecular weight, the transition to fracturelike behavior involves passing through a regime that may be understood in terms of stick-slip dynamics. The crack-tip wanders from side to side and fluctuates (in both speed and velocity along the channel) with a characteristic frequency which depends linearly on the invading fluid injection rate.

Velocity-jump instabilities in Hele-Shaw flow of associating polymer solutions

We study fracturelike flow instabilities that arise when water is injected into a Hele-Shaw cell filled with aqueous solutions of associating polymers. We explore various polymer architectures, molecular weights, and solution concentrations. Simultaneous measurements of the finger tip velocity and of the pressure at the injection point allow us to describe the dynamics of the finger in terms of the finger mobility, which relates the velocity to the pressure gradient. The flow discontinuities, characterized by jumps in the finger tip velocity, which are observed in experiments with some of the polymer solutions, can be modeled by using a nonmonotonic dependence between a characteristic shear stress and the shear rate at the tip of the finger. A simple model, which is based on a viscosity function containing both a Newtonian and a non-Newtonian component, and which predicts nonmonotonic regions when the non-Newtonian component of the viscosity dominates, is shown to agree with the experimental data.

Ab initio valence-bond cluster model for ionic solids: Alkaline-earth oxides

A linear M-O-M (M=metal, O=oxygen) cluster embedded in a Madelung field, and also including the quantum effects of the neighboring ions, is used to represent the alkaline-earth oxides. For this model an ab initio wave function is constructed as a linear combination of Slater determinants written in an atomic orbital basis set, i.e., a valence-bond wave function. Each valence-bond determinant (or group of determinants) corresponds to a resonating valence-bond structure. We have obtained ab initio valence-bond cluster-model wave functions for the electronic ground state and the excited states involved in the optical-gap transitions. Numerical results are reasonably close to the experimental values. Moreover, the model contains the ionic model as a limiting case and can be readily extended and improved.

Inefficacité de la gestion de l'hyperglycémie du patient hospitalisé: origines et remèdes [The inefficacy of glycemic control in the hospitalized patient: origins and solutions]

La prévalence du diabète peut être estimée entre 20 et 30% parmi les patients en hôpital aigu. Il a été démontré que l'hyperglycémie, même modérée, est associée à une augmentation de la morbi-mortalité hospitalière, tandis que le contrôle glycémique efficace a un impact favorable sur celle-ci. La prise en charge de l'hyperglycémie demeure pourtant largement inefficace hors des soins intensifs, en raison de la persistance d'une pratique inadaptée. Nous développons actuellement un projet de soins destiné à faire changer les pratiques. Pour un contrôle glycémique efficace, une formation des soignants à une gestion basée sur le concept de couverture des besoins en insuline du patient est nécessaire. La démarche doit être intégrée à une approche de type systémique, prenant en compte le contexte dans lequel les soignants évoluent. The hospital inpatient prevalence of diabetes mellitus can be estimated between 20 and 30%. Even moderate hyperglycemia is associated with increased morbidity and mortality in the acute care setting, whereas efficient glycemic control has been shown to improve both of them significantly. Glycemic control however remains largely inefficient outside of the intensive care unit due to the persistance of an inadequate glycemic management practice. We are currently developing a clinical care project aimed at changing this practice. For an efficient glycemic control, a training programme for health care professionals based on the concept of covering the insulin needs of the patient is mandatory. This programme needs to be integrated in a systemic approach, which takes the professionals' context in account.

Local character of magnetic coupling in ionic solids

Magnetic interactions in ionic solids are studied using parameter-free methods designed to provide accurate energy differences associated with quantum states defining the Heisenberg constant J. For a series of ionic solids including KNiF3, K2NiF4, KCuF3, K2CuF4, and high- Tc parent compound La2CuO4, the J experimental value is quantitatively reproduced. This result has fundamental implications because J values have been calculated from a finite cluster model whereas experiments refer to infinite solids. The present study permits us to firmly establish that in these wide-gap insulators, J is determined from strongly local electronic interactions involving two magnetic centers only thus providing an ab initio support to commonly used model Hamiltonians.

Neutral atoms in ionic lattices: Excited states of KCl:Ag(0)

The optical-absorption spectrum of a cationic Ag0 atom in a KCl crystal has been studied theoretically by means of a series of cluster models of increasing size. Excitation energies have been determined by means of a multiconfigurational self-consistent field procedure followed by a second-order perturbation correlation treatment. Moreover results obtained within the density-functional framework are also reported. The calculations confirm the assignment of bands I and IV to transitions of the Ag-5s electron into delocalized states with mainly K-4s,4p character. Bands II and III have been assigned to internal transitions on the Ag atom, which correspond to the atomic Ag-4d to Ag-5s transition. We also determine the lowest charge transfer (CT) excitation energy and confirm the assignment of band VI to such a transition. The study of the variation of the CT excitation energy with the Ag-Cl distance R gives additional support to a large displacement of the Cl ions due to the presence of the Ag0 impurity. Moreover, from the present results, it is predicted that on passing to NaCl:Ag0 the CT onset would be out of the optical range while the 5s-5p transition would undergo a redshift of 0.3 eV. These conclusions, which underline the different character of involved orbitals, are consistent with experimental findings. The existence of a CT transition in the optical range for an atom inside an ionic host is explained by a simple model, which also accounts for the differences with the more common 3d systems. The present study sheds also some light on the R dependence of the s2-sp transitions due to s2 ions like Tl+.

Rigorous characterization of oxygen vacancies in ionic oxides

Charged and neutral oxygen vacancies in the bulk and on perfect and defective surfaces of MgO are characterized as quantum-mechanical subsystems chemically bonded to the host lattice and containing most of the charge left by the removed oxygens. Attractors of the electron density appear inside the vacancy, a necessary condition for the existence of a subsystem according to the atoms in molecules theory. The analysis of the electron localization function also shows attractors at the vacancy sites, which are associated to a localization basin shared with the valence domain of the nearest oxygens. This polyatomic superanion exhibits chemical trends guided by the formal charge and the coordination of the vacancy. The topological approach is shown to be essential to understand and predict the nature and chemical reactivity of these objects. There is not a vacancy but a coreless pseudoanion that behaves as an activated host oxygen.

Ionic-covalent transition in titanium oxides

The nature of the chemical bond in three titanium oxides of different crystal structure and different formal oxidation state has been studied by means of the ab initio cluster-model approach. The covalent and ionic contributions to the bond have been measured from different theoretical techniques. All the analysis is consistent with an increasing of covalence in the TiO, Ti2O3, and TiO2 series as expected from chemical intuition. Moreover, the use of the ab initio cluster-model approach combined with different theoretical techniques has permitted us to quantify the degree of ionic character, showing that while TiO can approximately be described as an ionic compound, TiO2 is better viewed as a rather covalent oxide.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

Relaxivity of Gd-based contrast agents on X nuclei with long intrinsic relaxation times in aqueous solutions.

The relaxivity of commercially available gadolinium (Gd)-based contrast agents was studied for X-nuclei resonances with long intrinsic relaxation times ranging from 6 s to several hundred seconds. Omniscan in pure 13C formic acid had a relaxivity of 2.9 mM(-1) s(-1), whereas its relaxivity on glutamate C1 and C5 in aqueous solution was approximately 0.5 mM(-1) s(-1). Both relaxivities allow the preparation of solutions with a predetermined short T1 and suggest that in vitro substantial sensitivity gains in their measurement can be achieved. 6Li has a long intrinsic relaxation time, on the order of several minutes, which was strongly affected by the contrast agents. Relaxivity ranged from approximately 0.1 mM(-1) s(-1) for Omniscan to 0.3 for Magnevist, whereas the relaxivity of Gd-DOTP was at 11 mM(-1) s(-1), which is two orders of magnitude higher. Overall, these experiments suggest that the presence of 0.1- to 10-microM contrast agents should be detectable, provided sufficient sensitivity is available, such as that afforded by hyperpolarization, recently introduced to in vivo imaging.

Chemical etching without acids: from early etching solutions to today's corrosive salts

Conferència impartida a l'Accademia di Belle Arti di Bologna en motiu de de les jornades "Atossico incisione e la sua introduzione in istruzione superiore", del 25 al 27 de gener del 2011 a Bologna

Cell morphology and intracellular ionic homeostasis explored with a multimodal approach combining epifluorescence and digital holographic microscopy.

The authors have developed a live-cell multimodality microscope combining epifluorescence with digital holographic microscopy; it has been implemented with a decoupling procedure allowing to separately measure from the quantitative phase important cell parameters including absolute volume, shape and integral intracellular refractive index. In combination with the numerous different specific fluorescent cellular probes, this multimodality microscopy can address important issues in cell biology. This is demonstrated by the study of intracellular calcium homeostasis associated with the change in cell volume, which play a critical role in the excitotoxicity-induced neuronal death.