Design rationnel de nanothermomètres programmables à base d’ADN

Développer de nouveaux nanomatériaux, interrupteurs et machines nanométriques sensibles à de petites variations de température spécifiques devrait être de grande utilité pour une multitude de domaines œuvrant dans la nanotechnologie. De plus, l’objectif est de convaincre le lecteur que les nanotechnologies à base d’ADN offrent d’énormes possibilités pour la surveillance de température en temps réel à l’échelle nanométrique. Dans la section Résultats, nous exploitons les propriétés de l’ADN pour créer des thermomètres versatiles, robustes et faciles à employer. En utilisant une série de nouvelles stratégies inspirées par la nature, nous sommes en mesure de créer des nanothermomètres d’ADN capables de mesurer des températures de 25 à 95°C avec une précision de <0.1°C. En créant de nouveaux complexes d’ADN multimériques, nous arrivons à développer des thermomètres ultrasensibles pouvant augmenter leur fluorescence 20 fois sur un intervalle de 7°C. En combinant plusieurs brins d’ADN avec des plages dynamiques différentes, nous pouvons former des thermomètres montrant une transition de phase linéaire sur 50°C. Finalement, la vitesse de réponse et la précision des thermomètres développés et leur réversibilité sont illustrées à l’aide d’une expérience de surveillance de température à l’intérieur d’un unique puits d’un appareil de qPCR. En conclusion, les applications potentielles de tels nanothermomètres en biologie synthétique, imagerie thermique cellulaire, nanomachines d’ADN et livraison contrôlée seront considérées.

Processus de nucléation et de cristallisation du silicium liquide à l'aide du potentiel de Stillinger-Weber

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Design rationnel de nanothermomètres programmables à base d’ADN

Développer de nouveaux nanomatériaux, interrupteurs et machines nanométriques sensibles à de petites variations de température spécifiques devrait être de grande utilité pour une multitude de domaines œuvrant dans la nanotechnologie. De plus, l’objectif est de convaincre le lecteur que les nanotechnologies à base d’ADN offrent d’énormes possibilités pour la surveillance de température en temps réel à l’échelle nanométrique. Dans la section Résultats, nous exploitons les propriétés de l’ADN pour créer des thermomètres versatiles, robustes et faciles à employer. En utilisant une série de nouvelles stratégies inspirées par la nature, nous sommes en mesure de créer des nanothermomètres d’ADN capables de mesurer des températures de 25 à 95°C avec une précision de <0.1°C. En créant de nouveaux complexes d’ADN multimériques, nous arrivons à développer des thermomètres ultrasensibles pouvant augmenter leur fluorescence 20 fois sur un intervalle de 7°C. En combinant plusieurs brins d’ADN avec des plages dynamiques différentes, nous pouvons former des thermomètres montrant une transition de phase linéaire sur 50°C. Finalement, la vitesse de réponse et la précision des thermomètres développés et leur réversibilité sont illustrées à l’aide d’une expérience de surveillance de température à l’intérieur d’un unique puits d’un appareil de qPCR. En conclusion, les applications potentielles de tels nanothermomètres en biologie synthétique, imagerie thermique cellulaire, nanomachines d’ADN et livraison contrôlée seront considérées.

Processus de nucléation et de cristallisation du silicium liquide à l'aide du potentiel de Stillinger-Weber

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Two-State Thermodynamics of Supercooled Water

Water has been called the “most studied and least understood” of all liquids, and upon supercooling its behavior becomes even more anomalous. One particularly fruitful hypothesis posits a liquid-liquid critical point terminating a line of liquid-liquid phase transitions that lies just beyond the reach of experiment. Underlying this hypothesis is the conjecture that there is a competition between two distinct hydrogen-bonding structures of liquid water, one associated with high density and entropy and the other with low density and entropy. The competition between these structures is hypothesized to lead at very low temperatures to a phase transition between a phase rich in the high-density structure and one rich in the low-density structure. Equations of state based on this conjecture have given an excellent account of the thermodynamic properties of supercooled water. In this thesis, I extend that line of research. I treat supercooled aqueous solutions and anomalous behavior of the thermal conductivity of supercooled water. I also address supercooled water at negative pressures, leading to a framework for a coherent understanding of the thermodynamics of water at low temperatures. I supplement analysis of experimental results with data from the TIP4P/2005 model of water, and include an extensive analysis of the thermodynamics of this model.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Transition to complete synchronization in phase-coupled oscillators with nearest neighbor coupling

We investigate synchronization in a Kuramoto-like model with nearest neighbor coupling. Upon analyzing the behavior of individual oscillators at the onset of complete synchronization, we show that the time interval between bursts in the time dependence of the frequencies of the oscillators exhibits universal scaling and blows up at the critical coupling strength. We also bring out a key mechanism that leads to phase locking. Finally, we deduce forms for the phases and frequencies at the onset of complete synchronization.

High-temperature X-ray powder diffraction study of the tetragonal-cubic phase transition in nanocrystalline, compositionally homogeneous ZrO2-CeO2 solid solutions

Crystal structure of compositionally homogeneous, nanocrystalline ZrO2-CeO2 solutions was investigated by X-ray powder diffraction as a function of temperature for compositions between 50 and 65 mol % CeO2 center dot ZrO2-50 and 60 mol % CeO2 solid solutions, which exhibit the t'-form of the tetragonal phase at room temperature, transform into the cubic phase in two steps: t'-to-t '' followed by t ''-to-cubic. But the ZrO2-65 mol % CeO2, which exhibits the t ''-form, transforms directly to the cubic phase. The results suggest that t'-to-t '' transition is of first order, but t ''-to-cubic seems to be of second order. (C) 2008 International Centre for Diffraction Data.

Synchrotron X-ray powder diffraction study of the tetragonal-cubic phase transition in nanostructured ZrO2-Sc2O3 solid solutions

The transition between tetragonal and cubic phases in nanostructured ZrO2-Sc2O3 solid solutions by high-temperature X-ray powder diffraction using synchrotron radiation is presented. ZrO2-8 and 11 mol% Sc2O3 nanopowders that exhibit the t'- and t ''-forms of the tetragonal phase, respectively, were synthesized by a stoichiometric nitrate-lysine gel-combustion route. The average crystallite size treated at 900 degrees C was about 25 nm for both compositions. Our results showed that t'-t '' and t ''-cubic transitions take place for the 8 and 11 mol% Sc2O3 samples, respectively. (C) 2008 International Centre for Diffraction Data.

Entanglement and classical instabilities: Fingerprints of electron-hole-to-exciton phase transition in a simple model

We propose a schematic model to study the formation of excitons in bilayer electron systems. The phase transition is signalized both in the quantum and classical versions of the model. In the present contribution we show that not only the quantum ground state but also higher energy states, up to the energy of the corresponding classical separatrix orbit, ""sense"" the transition. We also show two types of one-to-one correspondences in this system: On the one hand, between the changes in the degree of entanglement for these low-lying quantum states and the changes in the density of energy levels; on the other hand, between the variation in the expected number of excitons for a given quantum state and the behavior of the corresponding classical orbit.

Dynamical Conductivity at the Dirty Superconductor-Metal Quantum Phase Transition

We study the transport properties of ultrathin disordered nanowires in the neighborhood of the superconductor-metal quantum phase transition. To this end we combine numerical calculations with analytical strong-disorder renormalization group results. The quantum critical conductivity at zero temperature diverges logarithmically as a function of frequency. In the metallic phase, it obeys activated scaling associated with an infinite-randomness quantum critical point. We extend the scaling theory to higher dimensions and discuss implications for experiments.

Isotropic and anisotropic spin-spin interactions and a quantum phase transition in a dinuclear Cu(II) compound

We report electron-paramagnetic resonance (EPR) studies at similar to 9.5 GHz (X band) and similar to 34 GHz (Q band) of powder and single-crystal samples of the compound Cu(2)[TzTs](4) [N-thiazol-2-yl-toluenesulfonamidatecopper(II)], C(40)H(36)Cu(2)N(8)O(8)S(8), having copper(II) ions in dinuclear units. Our data allow determining an antiferromagnetic interaction J(0)=(-113 +/- 1) cm(-1) (H(ex)=-J(0)S(1)center dot S(2)) between Cu(II) ions in the dinuclear unit and the anisotropic contributions to the spin-spin coupling matrix D (H(ani)=S(1)center dot D center dot S(2)), a traceless symmetric matrix with principal values D/4=(0.198 +/- 0.003) cm(-1) and E/4=(0.001 +/- 0.003) cm(-1) arising from magnetic dipole-dipole and anisotropic exchange couplings within the units. In addition, the single-crystal EPR measurements allow detecting and estimating very weak exchange couplings between neighbor dinuclear units, with an estimated magnitude parallel to J(')parallel to=(0.060 +/- 0.015) cm(-1). The interactions between a dinuclear unit and the ""environment"" of similar units in the structure of the compound produce a spin dynamics that averages out the intradinuclear dipolar interactions. This coupling with the environment leads to decoherence, a quantum phase transition that collapses the dipolar interaction when the isotropic exchange coupling with neighbor dinuclear units equals the magnitude of the intradinuclear dipolar coupling. Our EPR experiments provide a new procedure to follow the classical exchange-narrowing process as a shift and collapse of the line structure (not only as a change of the resonance width), which is described with general (but otherwise simple) theories of magnetic resonance. Using complementary procedures, our EPR measurements in powder and single-crystal samples allow measuring simultaneously three types of interactions differing by more than three orders of magnitude (between 113 cm(-1) and 0.060 cm(-1)).

Nonlinear refraction and absorption through phase transition in a Nd:SBN laser crystal

Time-resolved Z-scan measurements were performed in a Nd(3+)-doped Sr(0.61)Ba(0.39)Nb(2)O(6) laser crystal through ferroelectric phase transition. Both the differences in electronic polarizability (Delta alpha(p)) and cross section (Delta sigma) of the neodymium ions have been found to be strongly modified in the surroundings of the transition temperature. This observed unusual behavior is concluded to be caused by the remarkable influence that the structural changes associated to the ferro-to-paraelectric phase transition has on the 4f -> 5d transition probabilities. The maximum polarizability change value Delta alpha(p)=1.2x10(-25) cm(3) obtained at room temperature is the largest ever measured for a Nd(3+)-doped transparent material.

Atomistic origins of the phase transition mechanism in Ge(2)Sb(2)Te(5)

The fast and reversible phase transition mechanism between crystalline and amorphous phases of Ge(2)Sb(2)Te(5) has been in debate for several years. Through employing first-principles density functional theory calculations, we identify a direct structural link between the metastable crystalline and amorphous phases. The phase transition is driven by the displacement of Ge atoms along the rocksalt [111] direction from stable octahedron to high energy unstable tetrahedron sites close to the intrinsic vacancy regions, which generates a high energy intermediate phase between metastable and amorphous phases. Due to the instability of Ge at the tetrahedron sites, the Ge atoms naturally shift away from those sites, giving rise to the formation of local-ordered fourfold motifs and the long-range structural disorder. Intrinsic vacancies, which originate from Sb(2)Te(3), lower the energy barrier for Ge displacements, and hence, their distribution plays an important role in the phase transition. The high energy intermediate configuration can be obtained experimentally by applying an intense laser beam, which overcomes the thermodynamic barrier from the octahedron to tetrahedron sites. The high figure of merit of Ge(2)Sb(2)Te(5) is achieved from the optimal combination of intrinsic vacancies provided by Sb(2)Te(3) and the instability of the tetrahedron sites provided by GeTe.