Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Paleohydrological Reconstruction from Late Holocene Records in Interdune Lakes (N'Guigmi, Northern Bank of the Lake Chad, Niger)

An old erg covers the northern part of the Lake Chad basin. This dune landform allowed the formation of many inter- dune ponds of various sizes. Still present in certain zones where the groundwater level is high (e.g. Kanem, southern Manga), these ponds formed in the past a vast network of lacustrine microsystems, as shown by the nature and the dis- tribution of their deposits. In the Manga, these interdune deposits represent the main sedimentary records of the Holo- cene environmental succession. Their paleobiological (pollens, diatoms, ostracods) and geochemical (δ18O, δ13C, Sr/ Ca) contents are often the basis for paleoenvironmental reconstruction. On the other hand, their sedimentological char- acters are rarely exploited. This study of palustro-lacustrine deposits of the Holocene N'Guigmi lake (northern bank of the Lake Chad; Niger) is based on the relationships between the sedimentological features and the climato-hydrological fluctuations. The mineralogical parameters (e.g. calcium carbonate content, clay mineralogy) and the nature of autoch- thonous mineralization (i.e. amorphous silica, clays, calcium carbonates) can be interpreted using a straightforward hy- dro-sedimentary model. Established to explain the geochemical dynamics of Lake Chad, this model is based on a bio- geochemical cycle of the main elements (i.e. silicium, calcium) directly controlled by the local hydrological balance (i.e. rainfall/evaporation ratio). All these results show that a detailed study of sedimentological features can provide impor- tant paleohydrological informations about the regional aridification since ca 6500 14C BP.

Evaluation des risques liés aux nanomatériaux pour la population générale et pour l'environnement : rapport d'expertise collective

Une expertise collective sur l'évaluation des risques liés aux nanomatériaux pour la population générale et pour l'environnement a identifié plusieurs centaines de produits de grande consommation contenant des nanomatériaux, présents dans notre quotidien : textiles, cosmétiques, alimentaires, équipements sportifs, matériaux de construction... Des études nouvelles suggèrent la possibilité de risques pour la santé et pour l'environnement de certains produits. Face à cette situation d'incertitude, l'Afsset recommande d'agir sans attendre au nom du principe de précaution et de 1) Rendre obligatoire la traçabilité des nanomatériaux. Cela passe par une obligation de déclaration par les industriels, 2) la mise en place un étiquetage clair qui mentionne la présence de nanomatériaux dans les produits et informe sur la possibilité de relargage à l'usage, 3) d'aller jusqu'à l'interdiction de certains usages des nanomatériaux pour lesquels l'utilité est faible par rapport aux dangers potentiels, 4) l'harmonisation des cadres réglementaires français et européens pour généraliser les meilleures pratiques : déclaration, autorisation, substitution. En particulier, une révision de REACh s'impose pour prendre en compte les nanomatériaux manufacturés de manière spécifique et quel que soit leur tonnage. L'expertise fait également des recommandations pour construire une méthode renouvelée d'évaluation des risques sanitaires qui soit adaptée aux spécificités des nanomatériaux. Pour cela l'Afsset a testé les méthodologies classiques d'évaluation des risques sur 4 produits particuliers et courants : la chaussette antibactérienne (nanoparticules d'argent), le ciment autonettoyant et le lait solaire (nanoparticules de dioxyde de titane), la silice alimentaire à l'état nanométrique. Ces 4 produits représentent bien les voies d'exposition de l'homme (cutanée, inhalation, ingestion) et la possibilité de dispersion environnementale. Ces travaux font apparaître une urgence à faire progresser les connaissances sur les expositions et les dangers potentiels des nanomatériaux. Aujourd'hui, seuls 2% des études publiées sur les nanomatériaux concernent leurs risques pour la santé et l'environnement. Le premier effort devra porter sur la normalisation des caractéristiques des nanomatériaux. Les priorités de la recherche devront cibler la toxicologie, l'écotoxicologie et la mesure des expositions. Enfin, l'Afsset prévoit de s'autosaisir pour définir en 2 ans, avec son groupe de travail, un outil simplifié d'évaluation des risques. Il s'agit d'une grille de cotation des risques qui permet de catégoriser les produits en plusieurs gammes de risques. Face à ce chantier considérable, une mise en réseau entre les organismes européens et internationaux pour se partager le travail est nécessaire. Elle a commencé autour de l'OCDE qui coordonne des travaux d'évaluation des risques et de l'ISO qui travaille à la mise en place de nouvelles normes. [Auteurs]

Contribution to the Development of the LHCb Vertex Locator Readout Electronics

L'expérience LHCb sera installée sur le futur accélérateur LHC du CERN. LHCb est un spectromètre à un bras consacré aux mesures de précision de la violation CP et à l'étude des désintégrations rares des particules qui contiennent un quark b. Actuellement LHCb se trouve dans la phase finale de recherche et développement et de conception. La construction a déjà commencé pour l'aimant et les calorimètres. Dans le Modèle Standard, la violation CP est causée par une phase complexe dans la matrice 3x3 CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) de mélange des quarks. L'expérience LHCb compte utiliser les mesons B pour tester l'unitarité de cette matrice, en mesurant de diverses manières indépendantes tous les angles et côtés du "triangle d'unitarité". Cela permettra de surdéterminer le modèle et, peut-être, de mettre en évidence des incohérences qui seraient le signal de l'existence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La reconstruction du vertex de désintégration des particules est une condition fondamentale pour l'expérience LHCb. La présence d'un vertex secondaire déplacé est une signature de la désintégration de particules avec un quark b. Cette signature est utilisée dans le trigger topologique du LHCb. Le Vertex Locator (VeLo) doit fournir des mesures précises de coordonnées de passage des traces près de la région d'interaction. Ces points sont ensuite utilisés pour reconstruire les trajectoires des particules et l'identification des vertices secondaires et la mesure des temps de vie des hadrons avec quark b. L'électronique du VeLo est une partie essentielle du système d'acquisition de données et doit se conformer aux spécifications de l'électronique de LHCb. La conception des circuits doit maximiser le rapport signal/bruit pour obtenir la meilleure performance de reconstruction des traces dans le détecteur. L'électronique, conçue en parallèle avec le développement du détecteur de silicium, a parcouru plusieurs phases de "prototyping" décrites dans cette thèse.<br/><br/>The LHCb experiment is being built at the future LHC accelerator at CERN. It is a forward single-arm spectrometer dedicated to precision measurements of CP violation and rare decays in the b quark sector. Presently it is finishing its R&D and final design stage. The construction already started for the magnet and calorimeters. In the Standard Model, CP violation arises via the complex phase of the 3 x 3 CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) quark mixing matrix. The LHCb experiment will test the unitarity of this matrix by measuring in several theoretically unrelated ways all angles and sides of the so-called "unitary triangle". This will allow to over-constrain the model and - hopefully - to exhibit inconsistencies which will be a signal of physics beyond the Standard Model. The Vertex reconstruction is a fundamental requirement for the LHCb experiment. Displaced secondary vertices are a distinctive feature of b-hadron decays. This signature is used in the LHCb topology trigger. The Vertex Locator (VeLo) has to provide precise measurements of track coordinates close to the interaction region. These are used to reconstruct production and decay vertices of beauty-hadrons and to provide accurate measurements of their decay lifetimes. The Vertex Locator electronics is an essential part of the data acquisition system and must conform to the overall LHCb electronics specification. The design of the electronics must maximise the signal to noise ratio in order to achieve the best tracking reconstruction performance in the detector. The electronics is being designed in parallel with the silicon detector development and went trough several prototyping phases, which are described in this thesis.

Des enjeux juridiques concernant l'efficacité des systèmes d'échange de droits d'émission

Ce mémoire décrit et analyse différents types de systèmes d'échange de droits d'émission utilisés dans le cadre de politiques de gestion de la pollution atmosphérique. L'objectif premier est de répertorier des enjeux juridiques étant liés à l'efficacité de ces systèmes. Dans un premier temps, nous nous attardons à la structure et aux mécanismes internes des systèmes d'échange de droits d'émission. Tout d'abord, nous soulignons le fondement théorique de ce type de système. Nous évaluons par la suite la structure et certains litiges liés au système d'échange américain dans le cadre des émissions de dioxyde de soufre. Dans un deuxième temps, nous continuons la description de systèmes en nous attardant plus spécifiquement aux interactions entre les systèmes d'échange de droits d'émission et les autres politiques et règlementations environnementales (incluant d'autres systèmes d'échange d'émission) visant la même problématique environnementale.

Élaboration d’un simulateur de gravure par plasma de haute densité basé sur une approche cellulaire pour l’étude de profils dans divers matériaux

La réalisation de dispositifs à des dimensions sous-micrométriques et nanométriques demande une maîtrise parfaite des procédés de fabrication, notamment ceux de gravure. La réalisation des ces dispositifs est complexe et les exigences en termes de qualité et de géométrie des profils de gravure imposent de choisir les conditions opératoires les mieux adaptées. Les simulations de l'évolution spatio-temporelle des profils de gravure que nous proposons dans cette thèse s'inscrivent parfaitement dans ce contexte. Le simulateur que nous avons réalisé offre la possibilité de mieux comprendre les processus qui entrent en jeu lors de la gravure par plasma de profils dans divers matériaux. Il permet de tester l'influence des paramètres du plasma sur la forme du profil et donc de déterminer les conditions opératoires optimales. La mise au point de ce simulateur s'appuie sur les concepts fondamentaux qui gouvernent la gravure par plasma. À partir de l'état des lieux des différentes approches numériques pouvant être utilisées, nous avons élaboré un algorithme stable et adaptable permettant de mettre en évidence l'importance de certains paramètres clés pour la réalisation de profils de gravure par un plasma à haute densité et à basse pression. Les capacités de cet algorithme ont été testées en étudiant d'une part la pulvérisation de Si dans un plasma d'argon et d'autre part, la gravure chimique assistée par les ions de SiO2/Si dans un plasma de chlore. Grâce aux comparaisons entre profils simulés et expérimentaux, nous avons montré l'importance du choix de certains paramètres, comme la nature du gaz utilisé et la pression du plasma, la forme initiale du masque, la sélectivité masque/matériau, le rapport de flux neutre/ion, etc. Nous avons aussi lié ces paramètres à la formation de défauts dans les profils, par exemple celle de facettes sur le masque, de parois concaves, et de micro-tranchées. Enfin, nous avons montré que le phénomène de redépôt des atomes pulvérisés entre en compétition avec la charge électrique de surface pour expliquer la formation de profils en V dans le Pt pulvérisé par un plasma d'argon.

Étude de la réponse du détecteur ATLAS-MPX aux neutrons rapides

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC.

Etudes ab initio des effets de la température sur le spectre optique des semi-conducteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

Préparation d'échantillons pour l'étude par GISAXS des mécanismes de déformation des matériaux par faisceaux d'ions lourds de haute énergie.

Le mécanisme menant à des déformations structurales suivant le bombardement d'échantillons de a-Si d'un faisceau d'ions lourds et rapides est sujet de controverses. Nous nous sommes penchés sur l'hypothèse de la formation d'une zone liquide causée par la déposition d'énergie des ions incidents dans le contexte de la théorie du pic thermique. Des échantillons de silicium amorphe furent préparés dans le but d'observer les indices d'une transition de phase l-Si/a-Si suivant la déposition locale d'énergie sur le parcours d'un ion lourd énergétique dans le a-Si. Les échantillons furent implantés d'impuretés de Cu ou d'Ag avant d'être exposés à un faisceau d'ions Ag12+ de 70 MeV. L'utilisation de l'analyse GISAXS est projetée afin d'observer une concentration locale d'impuretés suivant leur ségrégation sur la trace de l'ion. Des masques d'implantation nanométriques d'oxide d'aluminium ont été fabriqués afin d'augmenter la sensibilité de l'analyse GISAXS et une méthode d'alignement de ces masques selon la direction du faisceau fut développée. Le bombardement d'échantillons au travers de ces masques a donné lieu à un réseau de sites d'impacts isolés presque équidistants.

Essais sur la gestion des ressources forestières

Cette thèse est composée de trois essais en économie forestière. Les deux premiers s'intéressent à la fixation de la redevance optimale à laquelle fait face le propriétaire d'une ressource forestière dans un contexte d'information asymétrique. Le troisième analyse l'impact à long terme du recyclage sur la surface de terre affectée à la forêt. La gestion des ressources forestières implique souvent la délégation des droits de coupe par le propriétaire forestier à une entreprise exploitante. Cette délégation prend la forme d'un contrat de concession par lequel le propriétaire forestier octroie les droits d'exploitation aux compagnies forestières, en contrepartie d'une redevance (transfert monétaire). L'octroie des droits d'exploitation s'effectue généralement sous plusieurs modes, dont les plus répandus sont les appels d'offres publics et les contrats de gré à gré, où le propriétaire forestier et la firme exploitante spécifient entre autres la redevance dans les clauses d'exploitation de la forêt. Pour déterminer le mécanisme optimal (choix de la firme, âge de coupe et redevance), le propriétaire forestier a idéalement besoin de connaître les coûts de coupe et de reboisement. Or en réalité, les firmes sont mieux informées sur leurs coûts que le propriétaire forestier. Dans ce contexte d'information asymétrique, le mécanisme optimal doit donc prendre en considération des contraintes informationnelles. Les deux premiers essais caractérisent, sous ces conditions, l'âge de coupe optimal (la rotation optimale) et la redevance optimale. Le premier essai examine le contrat optimal quand le propriétaire forestier cède les droits de coupes à une firme par un accord de gré à gré ou par une procédure d'appel d'offre public au second prix. L'analyse du problème est menée premièrement dans un contexte statique, dans le sens que les coûts de coupe sont parfaitement corrélés dans le temps, puis dans un contexte dynamique, où les coûts sont indépendants dans le temps. L'examen en statique et en dynamique montre que la rotation optimale va satisfaire une version modifiée de la règle de Faustmann qui prévaudrait en information symétrique. Cette modification est nécessaire afin d'inciter la firme à révéler ses vrais coûts. Dans le cas statique, il en résulte que la rotation optimale est plus élevée en information asymétrique qu'en situation de pleine information. Nous montrons également comment le seuil maximal de coût de coupe peut être endogénéisé, afin de permettre au propriétaire d'accroître son profit espéré en s'assurant que les forêts non profitables ne seront pas exploitées. Nous comparons ensuite la redevance optimale en information asymétrique et symétrique. Les redevances forestières dans un arrangement de gré à gré étant généralement, en pratique, une fonction linéaire du volume de bois, nous dérivons le contrat optimal en imposant une telle forme de redevance et nous caractérisons la perte en terme de profit espéré qui résulte de l'utilisation de ce type de contrat plutôt que du contrat non linéaire plus général. Finalement, toujours dans le contexte statique, nous montrons à travers un mécanisme optimal d'enchère au second prix qu'en introduisant ainsi la compétition entre les firmes le propriétaire forestier augmente son profit espéré. Les résultats obtenus dans le contexte dynamique diffèrent pour la plupart de ceux obtenus dans le cas statique. Nous montrons que le contrat optimal prévoit alors que chaque type de firme, incluant celle ayant le coût le plus élevé, obtient une rente strictement positive, laquelle augmente dans le temps. Ceci est nécessaire pour obtenir la révélation à moindre coût à la période courante du véritable type de la firme. Comme implication, la rotation optimale s'accroît aussi dans le temps. Finalement, nous montrons qu'il y a distorsion en asymétrique d'information par rapport à l'optimum de pleine information même pour le coût le plus bas (la réalisation la plus favorable). La concurrence introduite dans le premier essai sous forme d'enchère au second prix suppose que chaque firme connaît exactement son propre coût de coupe. Dans le deuxième essai nous relâchons cette hypothèse. En réalité, ni le propriétaire forestier ni les firmes ne connaissent avec précision les coûts de coupe. Chaque firme observe de manière privée un signal sur son coût. Par exemple chaque firme est autorisée à visiter un lot pour avoir une estimation (signal) de son coût de coupe. Cependant cette évaluation est approximative. Ainsi, le coût de chaque firme va dépendre des estimations (signaux) d'autres firmes participantes. Nous sommes en présence d'un mécanisme à valeurs interdépendantes. Dans ce contexte, la valeur d'une allocation dépend des signaux de toutes les firmes. Le mécanisme optimal (attribution des droits d'exploitation, redevance et âge de coupe) est exploré. Nous déterminons les conditions sous lesquelles le mécanisme optimal peut être implémenté par une enchère au second prix et dérivons la rotation optimale et le prix de réserve dans le contexte de ce type d'enchère. Le troisième essai de la thèse analyse l'impact à long terme du recyclage sur la surface de terre affectée à la forêt. L'un des principaux arguments qui milite en faveur du recours au recyclage est que cela entraînerait une réduction de la coupe de bois, épargnant ainsi des arbres. L'objectif est donc d'aboutir à un nombre d'arbres plus important qu'en l'absence de recyclage. L'idée d'accroître le stock d'arbre tient au fait que les forêts génèrent des externalités: elles créent un flux de services récréatifs, freinent l'érosion des sols et des rives des cours d'eau et absorbent du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère. Étant donné la présence d'externalités, l'équilibre des marchés résulterait en un nombre d'arbre insuffisant, justifiant donc la mise en oeuvre de politiques visant à l'accroître. Le but de ce troisième essai est de voir dans quelle mesure la promotion du recyclage est un instrument approprié pour atteindre un tel objectif. En d'autres mots, comment le recyclage affecte-t-il à long terme la surface de terre en forêt et l'âge de coupe? Nous étudions cette question en spécifiant un modèle dynamique d'allocation d'un terrain donné, par un propriétaire forestier privé, entre la forêt et une utilisation alternative du terrain, comme l'agriculture. Une fois les arbres coupés, il décide d'une nouvelle allocation du terrain. Il le fait indéfiniment comme dans le cadre du modèle de Faustmann. Le bois coupé est transformé en produit final qui est en partie recyclé comme substitut du bois original. Ainsi, les outputs passés affectent le prix courant. Nous montrons que, paradoxalement, un accroissement du taux de recyclage réduira à long terme la surface forestière et donc diminuera le nombre d'arbres plantés. Par contre l'âge de coupe optimal va s'accroître. L'effet net sur le volume de bois offert sur le marché est ambigu. Le principal message cependant est qu'à long terme le recyclage va résulter en une surface en forêt plus petite et non plus grande. Donc, si le but est d'accroître la surface en forêt, il pourrait être préférable de faire appel à d'autres types d'instruments de politique que celui d'encourager le recyclage.

Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Étude de la coalescence de nanogouttelettes par dynamique moléculaire

Ce travail est consacré à l’étude de la coalescence de gouttelettes liquides à l’échelle du nanomètre. Nous nous sommes intéressés principalement à l’évolution du changement topologique des gouttelettes à partir de la rupture des surfaces au moment du contact initial jusqu’à la coalescence complète. Nous utilisons la dynamique moléculaire afin de simuler plusieurs types de gouttelettes soit en utilisant le potentiel empirique de type Stillinger-Weber pour des gouttelettes de silicium (l-Si) en 3 dimensions et le modèle Embedded Atom Method pour des gouttelettes de cuivre liquide (l-Cu) en 2d, quasi-2d (disques) et 3 dimensions. Qualitativement, toutes les simulations démontrent une coalescence similaire indépendamment de la dimension de calcul (2d à 3d), de la taille et de la température initiale des gouttelettes. La coalescence évolue par une déformation rapide des surfaces sans mixage important entre les atomes des deux gouttelettes initiales. De plus, nous étudions l’évolution du col de coalescence formé lors du contact initial entre les gouttelettes et, pour les systèmes en 3d, nous observons une transition claire d’un régime visqueux vers un régime inertiel du rayon de ce col, tel que suggéré par des modèles théoriques. Pour les gouttelettes de cuivre nous observons exactement le comportement des prédictions analytiques et confirmons que le premier régime suit un comportement visqueux sans aplatissement local des gouttelettes. La situation est différente pour les gouttelettes de l-Si où nous observons un effet plus grand, par rapport aux prédictions analytiques, du rayon et de la température initiale des gouttelettes sur l’évolution du col de coalescence. Nous suggérons que les paramètres décrivant l’évolution de la coalescence dépendent des propriétés des matériaux utilisés contrairement à la théorie universelle couramment utilisée.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Monohalogénocyclopropanations stéréosélectives à l'aide de carbénoïdes de zinc, couplages croisés de cyclopropylsilanols, cyclisations d'iodures d'alkyle catalysées par le nickel

Les cyclopropanes sont des unités qui sont très importantes en raison de leur présence dans de nombreux produits naturels, dans certaines molécules synthétiques ayant une activité biologique, ainsi que dans plusieurs intermédiaires synthétiques. Les travaux décrits dans cet ouvrage portent sur l’halogénocyclopropanation stéréosélective d’alcools allyliques en présence d’un ligand chiral stœchiométrique de type dioxaborolane et de carbénoïdes de zinc substitués dérivés de composés organozinciques et d’haloformes. Nous avons ainsi développé des conditions pour l’iodo-, la chloro- et la fluorocyclopropanation stéréosélective. Une étude mécanistique portant sur la nature des carbénoïdes alpha-chlorés et alpha-bromés a révélé qu’il y a un échange des halogènes portés par ces carbénoïdes. Lors de la chlorocyclopropanation, le carbénoïde le plus réactif (alpha-chloré) réagit de façon prédominante en vertu du principe de Curtin-Hammet. Les iodocyclopropanes énantioenrichis ont pu être fonctionnalisés via une réaction d’échange lithium-iode suivie du traitement avec des électrophiles, ou via une réaction de transmétallation au zinc suivie d’un couplage de Negishi. Ainsi, toute une gamme de cyclopropanes 1,2,3-substitués énantioenrichis a pu être synthétisée. Dans l’optique de développer de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation des cyclopropanes, nous nous sommes par la suite tournés vers le couplage croisé de type Hiyama-Denmark des cyclopropylsilanols. Dans cette voie synthétique, le groupement silanol a deux fonctions : il sert de groupement proximal basique lors de la cyclopropanation de Simmons-Smith et il subit la transmétallation au cours du couplage croisé. Dans l’étape du couplage croisé, la nature des ligands liés à l’atome de silicium s’est avérée cruciale au bon déroulement de la réaction. Ainsi, l’échange de ligands avec le diéthyl éthérate de trifluoroborane générant le cyclopropyltrifluorosilane in situ est requis pour obtenir de bons rendements. Le dernier volet de cet ouvrage porte sur la cyclisation d’iodures d’alkyle par substitution aromatique par voie homolytique catalysée par le nickel. Une série de composés de type tétrahydronaphtalène et thiochromane ont été préparés selon cette méthode. Une étude mécanistique a confirmé la nature radicalaire de cette réaction et suggère fortement l’action catalytique du nickel. De plus, des études de spectrométrie RMN DOSY ont montré une association entre le complexe de nickel et le substrat ainsi que la base employés dans cette réaction.