Understanding Co-translational Protein Targeting and Lithium Dendrite Formation through Free Energy Simulations and Coarse-Grained Models

We describe the application of alchemical free energy methods and coarse-grained models to study two key problems: (i) co-translational protein targeting and insertion to direct membrane proteins to the endoplasmic reticulum for proper localization and folding, (ii) lithium dendrite formation during recharging of lithium metal batteries. We show that conformational changes in the signal recognition particle, a central component of the protein targeting machinery, confer additional specificity during the the recognition of signal sequences. We then develop a three-dimensional coarse-grained model to study the long-timescale dynamics of membrane protein integration at the translocon and a framework for the calculation of binding free energies between the ribosome and translocon. Finally, we develop a coarse-grained model to capture the dynamics of lithium deposition and dissolution at the electrode interface with time-dependent voltages to show that pulse plating and reverse pulse plating methods can mitigate dendrite growth.

Avancement vers la synthèse du (+) et du (-)-hodgsonox

Ce mémoire décrit les travaux qui ont été réalisés sur la synthèse de l’hodgsonox, un sesquiterpène tricyclique comportant un éther diallylique dans un cycle tétrahydropyranique. Les approches envisagées sont la formation du cycle à cinq puis la formation du tétrahydropyrane et une autre plus convergente qui implique la synthèse des deux cycles en une seule étape. La première partie du mémoire discute de la synthèse d’un précurseur acyclique du cycle à cinq membres, afin de réaliser une réaction de métathèse de fermeture de cycle. Toutefois, les essais n’ont pas été concluants et cette voie a été abandonnée. Dans la deuxième partie, une nouvelle approche impliquant la synthèse d’un bicycle par une réaction de Pauson-Khand a été étudiée. Le précurseur de la réaction de Pauson- Khand a été préparé en 9 étapes (30% de rendement global) à partir du diéthyle tartrate. Le produit de cyclisation a été également obtenu mais il n’a pas été possible par la suite d’introduire le groupement isopropyle. Dans la dernière partie de ce mémoire, les travaux de Lise Brethous sur la synthèse de l’hodgsonox ont été repris. Celle-ci avait montré que le cycle à 5 membres pouvait être obtenu à partir de l’a-acétyl g-butyrolactone et que la formation du bicycle pouvait être réalisée par une réaction catalytique d’insertion d’un composé diazoïque dans un lien O-H. Certaines de ces étapes ont été optimisées et différents tests ont été effectués pour réaliser les dernières étapes de la synthèse de l’hodgosonox, mais sans succès.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

CO-ELECTROPHORETIC DEPOSITION OF LIQUID METAL AND SILICON FOR LITHIUM-ION BATTERY APPLICATION

A low cost electrophoretic deposition (EPD) process was successfully used for liquid metal thin film deposition with a high depositing rate of 0.6 µ/min. Furthermore, silicon nano-powder and liquid metal were then simultaneously deposited as the negative electrode of lithium-ion battery by a technology called co-EPD. The liquid metal was hoping to act as the matrix for silicon particles during lithium ion insertion and distraction. Half-cell testing was performed using as prepared co-EPD sample. An initial discharge capacity of 1500 mAh/g was reported for nano-silicon and galinstan electrode, although the capacity fading issue of these samples was also observed.

High Pressure and Low Temperature Study of Ammonia Borane and Lithium Amidoborane

Hydrogen has been considered as a potentially efficient and environmentally friendly alternative energy solution. However, one of the most important scientific and technical challenges that the “hydrogen economy” faces is the development of safe and economically viable on-board hydrogen storage for fuel cell applications, especially to the transportation sector. Ammonia borane (BH3NH3), a solid state hydrogen storage material, possesses exceptionally high hydrogen content (19.6 wt%).However, a fairly high temperature is required to release all the hydrogen atoms, along with the emission of toxic borazine. Recently research interests are focusing on the improvement of H2 discharge from ammonia borane (AB) including lowering the dehydrogenation temperature and enhancing hydrogen release rate using different techniques. Till now the detailed information about the bonding characteristics of AB is not sufficient to understand details about its phases and structures. Elemental substitution of ammonia borane produces metal amidoboranes. Introduction of metal atoms to the ammonia borane structure may alter the bonding characteristics. Lithium amidoborane is synthesized by ball milling of ammonia borane and lithium hydride. High pressure study of molecular crystal provides unique insight into the intermolecular bonding forces and phase stability. During this dissertation, Raman spectroscopic study of lithium amidoborane has been carried out at high pressure in a diamond anvil cell. It has been identified that there is no dihydrogen bond in the lithium amidoborane structure, whereas dihydrogen bond is the characteristic bond of the parent compound ammonia borane. It has also been identified that the B-H bond becomes weaker, whereas B-N and N-H bonds become stronger than those in the parent compound ammonia borane. At high pressure up to 15 GPa, Raman spectroscopic study indicates two phase transformations of lithium amidoborane, whereas synchrotron X-ray diffraction data indicates only one phase transformation of this material. Pressure and temperature has a significant effect on the structural stability of ammonia borane. This dissertation explored the phase transformation behavior of ammonia borane at high pressure and low temperature using in situ Raman spectroscopy. The P-T phase boundary between the tetragonal (I4mm) and orthorhombic (Pmn21) phases of ammonia borane has been determined. The transition has a positive Clapeyron slope which indicates the transition is of exothermic in nature. Influence of nanoconfinemment on the I4mm to Pmn21 phase transition of ammonia borane was also investigated. Mesoporus silica scaffolds SBA-15 with pore size of ~8 nm and MCM-41 with pore size of 2.1-2.7 nm, were used to nanoconfine ammonia borane. During cooling down, the I4mm to Pmn21 phase transition was not observed in MCM-41 nanoconfined ammonia borane, whereas the SBA-15 nanocondfined ammonia borane shows the phase transition at ~195 K. Four new phases of ammonia borane were also identified at high pressure up to 15 GPa and low temperature down to 90 K.

Avancement vers la synthèse du (+) et du (-)-hodgsonox

Ce mémoire décrit les travaux qui ont été réalisés sur la synthèse de l’hodgsonox, un sesquiterpène tricyclique comportant un éther diallylique dans un cycle tétrahydropyranique. Les approches envisagées sont la formation du cycle à cinq puis la formation du tétrahydropyrane et une autre plus convergente qui implique la synthèse des deux cycles en une seule étape. La première partie du mémoire discute de la synthèse d’un précurseur acyclique du cycle à cinq membres, afin de réaliser une réaction de métathèse de fermeture de cycle. Toutefois, les essais n’ont pas été concluants et cette voie a été abandonnée. Dans la deuxième partie, une nouvelle approche impliquant la synthèse d’un bicycle par une réaction de Pauson-Khand a été étudiée. Le précurseur de la réaction de Pauson- Khand a été préparé en 9 étapes (30% de rendement global) à partir du diéthyle tartrate. Le produit de cyclisation a été également obtenu mais il n’a pas été possible par la suite d’introduire le groupement isopropyle. Dans la dernière partie de ce mémoire, les travaux de Lise Brethous sur la synthèse de l’hodgsonox ont été repris. Celle-ci avait montré que le cycle à 5 membres pouvait être obtenu à partir de l’a-acétyl g-butyrolactone et que la formation du bicycle pouvait être réalisée par une réaction catalytique d’insertion d’un composé diazoïque dans un lien O-H. Certaines de ces étapes ont été optimisées et différents tests ont été effectués pour réaliser les dernières étapes de la synthèse de l’hodgosonox, mais sans succès.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

A NOVEL MODELING AND STATE OF CHARGE ESTIMATION SCHEME FOR LITHIUM-ION BATTERIES

Lithium Ion (Li-Ion) batteries have got attention in recent decades because of their undisputable advantages over other types of batteries. They are used in so many our devices which we need in our daily life such as cell phones, lap top computers, cameras, and so many electronic devices. They also are being used in smart grids technology, stand-alone wind and solar systems, Hybrid Electric Vehicles (HEV), and Plug in Hybrid Electric Vehicles (PHEV). Despite the rapid increase in the use of Lit-ion batteries, the existence of limited battery models also inadequate and very complex models developed by chemists is the lack of useful models a significant matter. A battery management system (BMS) aims to optimize the use of the battery, making the whole system more reliable, durable and cost effective. Perhaps the most important function of the BMS is to provide an estimate of the State of Charge (SOC). SOC is the ratio of available ampere-hour (Ah) in the battery to the total Ah of a fully charged battery. The Open Circuit Voltage (OCV) of a fully relaxed battery has an approximate one-to-one relationship with the SOC. Therefore, if this voltage is known, the SOC can be found. However, the relaxed OCV can only be measured when the battery is relaxed and the internal battery chemistry has reached equilibrium. This thesis focuses on Li-ion battery cell modelling and SOC estimation. In particular, the thesis, introduces a simple but comprehensive model for the battery and a novel on-line, accurate and fast SOC estimation algorithm for the primary purpose of use in electric and hybrid-electric vehicles, and microgrid systems. The thesis aims to (i) form a baseline characterization for dynamic modeling; (ii) provide a tool for use in state-of-charge estimation. The proposed modelling and SOC estimation schemes are validated through comprehensive simulation and experimental results.

Design et synthèse d’inhibiteurs d’une ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase de type 1 (ENPP1) et leur activité anticancéreuse

La calcification de la valve aortique (CVA) est une maladie cardiovasculaire de plus en plus répandue, particulièrement en Amérique du Nord. Elle cause le rétrécissement de la valve aortique et le seul traitement actuellement disponible est le remplacement chirurgical. Des études menées par le Dr Patrick Mathieu (Institut de Cardiologie et de Pneumologie de Québec) ont montré qu’une surexpression d’une ectonucléotide pyrophosphatase/phosphodiestérase de type 1 (ENPP1) est à l’origine de cette sténose. Une solution à cette maladie serait donc de trouver un inhibiteur d’ENPP1. Inspirées des travaux du groupe de Pfizer visant ENPP1 pour le traitement de la chondrocalcinose articulaire et l’ostéoarthrite, quelques familles d’inhibiteurs de type quinazoline-4-pipéridine sulfamides (QPS) ont été synthétisés et testées in vitro. Une étude en modélisation moléculaire sur le site potentiel de liaison des inhibiteurs sur ENPP1 est en cours, en collaboration avec le Pr Patrick Lagüe (Université Laval, Département de biochimie, microbiologie et bio-informatique) et son équipe pour optimiser le design de la structure des composés. Les composés d’une des familles, les QPS-pyrimidine, ont été testés in vitro sur quelques lignées cellulaires cancéreuses (HT-1080, HT-29, M21 et MCF-7) pour mesurer leur activité antiproliférative. Ces composés ont une inhibition de croissance médiane (IC50) de l’ordre du micromolaire et représentent donc un point de départ intéressant pour la mise au point de nouveaux traitements anticancéreux.

Expérimentation d’un outil de validation de l’épreuve synthèse d’un programme d’études collégiales

La mise en oeuvre de l’approche par compétences (APC) dans les programmes de formation au Québec a suscité un lot de changements dans les pratiques d’enseignement et d’évaluation durant les deux dernières décennies. Cette approche a occasionné un renouvellement des programmes d’études. Maintenant, les programmes d’études ciblent le développement des compétences. Le renouveau de l’enseignement est accompagné par la modification de certains articles du Règlement sur le régime des études collégiales (RREC), on y ajoute une nouvelle exigence de sanction des études pour les programmes collégiaux. Chacun des programmes d’études collégiales doit désormais mettre en place une activité synthèse d’évaluation des apprentissages. Cette activité doit se situer à la fin du parcours de formation et témoigner de l’intégration des compétences et des apprentissages essentiels réalisés dans l’ensemble du programme d’études. L’épreuve synthèse de programme (ÉSP) est sous la responsabilité des collèges et elle est encadrée par la politique institutionnelle d’évaluation des apprentissages (PIEA) de chaque établissement. Cette imposition ministérielle est toutefois peu documentée et laisse une grande latitude aux programmes d’études quant aux choix de la stratégie, aux modalités de passation et d’évaluation. Ceci amène le programme Technologie de radio-oncologie du collège Ahuntsic à se questionner sur la validité de leur ÉSP. Cette recherche porte sur le thème de l’ÉSP d’études collégiales. La problématique s’articule autour du fait qu’il est possible de créer une ÉSP qui s’appuie sur les principes de l’évaluation certificative des apprentissages, mais qui ne permet pas d’attester de l’atteinte des compétences de l’ensemble du programme d’études. Par conséquent, le premier objectif de cette recherche vise l’expérimentation d’un outil de validation de l’ÉSP. Le deuxième objectif consiste à analyser les résultats d’expérimentation et de bonifier l’outil de validation au regard des commentaires des participantes et des participants. Dans le cadre du présent essai, un outil de validation de l’ÉSP a été mis au point et mis à l’essai à travers une recherche-expérimentation, qui repose sur une approche méthodologique qualitative et une posture épistémologique de recherche. L’outil de validation de l’ÉSP est inspiré des travaux du Pôle de l’Est (1996). Il propose une série de questions regroupées selon cinq thématiques pour que les enseignantes et les enseignants du cours porteur de l’ÉSP puissent poser un diagnostic sur l’ÉSP de leur programme d’études. Chaque thématique est accompagnée d’une grille d’évaluation à échelle descriptive pour faciliter la réflexion sur les forces, les limites et reconnaître les correctifs devant être apportés à l’ÉSP. Un plan de travail est également suggéré, facilitant ainsi les travaux à entrevoir pour assurer l’amélioration de l’ÉSP. L’expérimentation de l’outil de validation de l’ÉSP par quatre équipes enseignantes a permis de recueillir des résultats à partir des réponses à un questionnaire électronique et à une entrevue téléphonique semi-dirigée, ceci en tenant compte des considérations éthiques. Ces résultats ont été analysés, compilés et comparés pour aider à concevoir une version finale de l’outil de validation de l’ÉSP. La version finale de l’outil de validation de l’ÉSP intègre les propositions d’amélioration émises par les quatre équipes d’enseignantes et d’enseignants qui ont accepté d’expérimenter l’outil. La triangulation des méthodes de collecte de données a été utilisée afin d’assurer la rigueur des travaux. Les commentaires tels que l’ajout d’une piste de réflexion concernant la charge de travail associé à la réalisation de l’ÉSP, l’ajout d’une définition concernant une caractéristique de l’évaluation certificative ainsi que la correction de deux critères d’évaluation inscrits dans la grille d’évaluation à échelle descriptive, ont favorisé la conception d’un outil de validation de l’ÉSP qui répond davantage aux besoins des programmes d’études collégiales. Les résultats obtenus portent à croire que l’outil de validation de l’ÉSP est complet et utile. Il peut être utilisé autant par les programmes préuniversitaires que les programmes techniques. Bien qu’il propose une démarche simple, il nécessite une concertation en équipe programme et il peut s’avérer aidant que cette démarche soit soutenue par une conseillère ou un conseiller pédagogique. De cette recherche-expérimentation sont ressorties des pistes de recherches future notamment la conception d’un outil de validation pour les épreuves terminales de cours. De plus, une connaissance plus approfondie des notions concernant l’évaluation certificative peut soulever également des questionnements concernant les différentes stratégies d’évaluation à envisager dans le cadre d’une ÉSP.

Avenues de synthèse d’un matériau magnétique multifonctionnel à des fins de catalyse hétérogène

La catalyse est à la base de la fabrication de médicaments, de produits textiles, d‘engrais, des pots d’échappement, et une multitude d’autres applications de notre quotidien. En effet, dans les pays industrialisés jusqu’à 80% des produits manufacturés utilisés au quotidien ont nécessité au moins une étape de catalyse lors de leur fabrication. Outre être actif, il est primordial pour un catalyseur performant d’être résistant à la désactivation qui se traduit par la perte d’activité ou de sélectivité d’un catalyseur au cours du temps. La synthèse d’un matériau multifonctionnel permet de répondre à ces différents critères. L’objectif d’un design intelligent de matériaux est de mener à des effets synergiques de chacune des composantes. Pour un catalyseur, en plus d’être actif et sélectif pour le produit désiré, il faut en plus qu’il soit durable, stable dans le temps, et permette d’être réutilisable. L’objectif de ce projet est de faire une synthèse originale, simple et reproductible d’un catalyseur actif et résistant à la désactivation. De base, un catalyseur se compose d’un support et d’un matériau actif. La nature, la morphologie et l’agencement de ces derniers dictent le comportement chimique du catalyseur final. Comme matériau actif, les nanoparticules d’or sont très prisées en raison de leur potentiel de catalyse élevée pour de nombreuses réactions. Cependant, aux températures de fonctionnement de la catalyse, les nanoparticules d’or ont tendance à se désactiver par coalescence. Pour remédier à cela, il est possible de déposer une couche de silice mésoporeuse afin de protéger les NPs d’or des rudes conditions de réaction tout en étant perméables aux espèces réactives. Plusieurs types de matériaux peuvent servir de support aux nanoparticules d’or. À ce titre, les particules d’oxydes de fer magnétiques telles que la magnétite (Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4]) sont intéressantes pour leur potentiel hyperthermique, phénomène par lequel des nanoparticules (NPs) magnétiques transforment de l’énergie électromagnétique provenant d’un champ externe haute fréquence en chaleur, créant ainsi des nano-fours. Une première couche de silice est utilisée comme matrice de greffage afin de fixer les nanoparticules d’or sur la magnétite. La structure visée est illustrée à la Figure ci-dessous. Figure 1 Structure du catalyseur de Fe2O4@SiO2-Au-SiO2m (Ge, Zhang, Zhang, & Yin, 2008) Plusieurs avenues d’assemblage et de synthèse sont explorées pour chacune des composantes de la structure visée. Les avantages et inconvénients ainsi que des mécanismes sont proposés pour chaque voie de synthèse. Le matériau est utilisé comme catalyseur pour la réaction de réduction du 4-Nitrophénol par du NaBH4. Pour ce qui est de la synthèse de magnétite par voie solvothermique, il a été démontré qu’il était important d’être dans un milieu sous pression puisque l’étape limitante de la réaction est la solubilité des particules de magnétites dans le milieu. Cela est en accord avec le principe de mûrissement d’Ostwald selon lequel les petites particules ont tendance à se dissoudre dans le milieu et précipiter à la surface des plus grosses particules de façon à diminuer l’énergie interfaciale. Cette synthèse a été reproduite avec succès et a mené à la production de nanoparticules de Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4] sphériques creuses d’une taille de 150 [plus ou moins] 30nm. Ces sphères creuses ont été recouvertes d’une couche de silice dense par une méthode de Stöber modifiée. Le recouvrement forme des amas de particules et est non uniforme en raison de la présence de poly(éthlyène glycol) à la sur face de la magnétite, un adjuvant présent lors de sa synthèse afin d’améliorer la dispersion de la magnétite. La synthèse et le greffage d’AuNPs sont bien maîtrisés : les AuNPs ont une taille de 17 [plus ou moins] 6nm et la quantité d’or greffé est assez élevée. Ultimement, une méthode de greffage alternative tel que le greffage par croissance in situ de nanoparticules d’or pourrait être emprunté afin d’obtenir des particules plus petites. Pour ce qui est de la formation d’une couche de silice mésoporeuse, la méthode par calcination est une meilleure option que par gravure chimique en raison de sa sélectivité envers la couche externe de silice plus élevée ainsi que la formation apparente de pores.

Towards eco-friendly batteries: concepts for lithium and sodium ion batteries

Several possibilities are arising aiming the development of “greener”, more sustainable energy storage systems. One point is the completely water-based processing of battery electrodes, thus being able to renounce the use of toxic solvents in the preparation process. Despite its advantage of lower cost and eco-friendlyness, there is the need of similar mechanical and electrochemichal behavior for boosting this preparation mode. Another point – accompanying the water-based processing - is the replacement of solvent-based polymer binders by water-based ones. These binders can be based on fluorinated, crude-oil based polymers on the one side, but also on naturally abundant and economic friendly biopolymers. The most common anode materials, graphite and lithium titanate (LTO), have been subjected a water-based preparation route with different binder systems. LTO is a promising anode material for lithium ion batteries (LIBs), as it shows excellent safety characteristics, does not form a significant SEI and its volume change upon intercalation of lithium ions is negligible. Unfortunately, this material suffers from a rather low electric conductivity - that is why an intensive study on improved current collector surfaces for LTO electrodes was performed. In order to go one step ahead towards sustainable energy storage, anode and cathode active materials for a sodium ion battery were synthesized. Anode active material resulted in a successful product which was then subjected to further electrochemical tests. In this PhD work the development of “greener” energy storage possibilities is tested under several aspects. The ecological impact of raw materials and required battery components is examined in detail.

Graphite for lithium-ion batteries: mineral analysis and global Material Flow Analysis

Graphite is a mineral commodity used as anode for lithium-ion batteries (LIBs), and its global demand is doomed to increase significantly in the future due to the forecasted global market demand of electric vehicles. Currently, the graphite used to produce LIBs is a mix of synthetic and natural graphite. The first one is produced by the crystallization of petroleum by-products and the second comes from mining, which causes threats related to pollution, social acceptance, and health. This MSc work has the objective of determining compositional and textural characteristics of natural, synthetic, and recycled graphite by using SEM-EDS, XRF, XRD, and TEM analytical techniques and couple these data with dynamic Material Flow Analysis (MFA) models, which have the objective of predicting the future global use of graphite in order to test the hypothesis that natural graphite will no longer be used in the LIB market globally. The mineral analyses reveal that the synthetic graphite samples contain less impurities than the natural graphite, which has a rolled internal structure similar to the recycled one. However, recycled graphite shows fractures and discontinuities of the graphene layers caused by the recycling process, but its rolled internal structure can help the Li-ions’ migration through the fractures. Three dynamic MFA studies have been conducted to test distinct scenarios that include graphite recycling in the period 2022-2050 and it emerges that - irrespective of any considered scenario - there will be an increase of synthetic graphite demand, caused by the limited stocks of battery scrap available. Hence, I conclude that both natural and recycled graphite is doomed to be used in the LIB market in the future, at least until the year 2050 when the stock of recycled graphite production will be enough to supersede natural graphite. In addition, some new improvement in the dismantling and recycling processes are necessary to improve the quality of recycled graphite.

Hemorrhagic Shock Secondary To Button Battery Ingestion.

Button battery ingestion is a frequent pediatric complaint. The serious complications resulting from accidental ingestion have increased significantly over the last two decades due to easy access to gadgets and electronic toys. Over recent years, the increasing use of lithium batteries of diameter 20 mm has brought new challenges, because these are more detrimental to the mucosa, compared with other types, with high morbidity and mortality. The clinical complaints, which are often nonspecific, may lead to delayed diagnosis, thereby increasing the risk of severe complications. A five-year-old boy who had been complaining of abdominal pain for ten days, was brought to the emergency service with a clinical condition of hematemesis that started two hours earlier. On admission, he presented pallor, tachycardia and hypotension. A plain abdominal x-ray produced an image suggestive of a button battery. Digestive endoscopy showed a deep ulcerated lesion in the esophagus without active bleeding. After this procedure, the patient presented profuse hematemesis and severe hypotension, followed by cardiorespiratory arrest, which was reversed. He then underwent emergency exploratory laparotomy and presented a new episode of cardiorespiratory arrest, which he did not survive. The battery was removed through rectal exploration. This case describes a fatal evolution of button battery ingestion with late diagnosis and severe associated injury of the digestive mucosa. A high level of clinical suspicion is essential for preventing this evolution. Preventive strategies are required, as well as health education, with warnings to parents, caregivers and healthcare professionals.

Effect Of Platform Connection And Abutment Material On Stress Distribution In Single Anterior Implant-supported Restorations: A Nonlinear 3-dimensional Finite Element Analysis.

Although various abutment connections and materials have recently been introduced, insufficient data exist regarding the effect of stress distribution on their mechanical performance. The purpose of this study was to investigate the effect of different abutment materials and platform connections on stress distribution in single anterior implant-supported restorations with the finite element method. Nine experimental groups were modeled from the combination of 3 platform connections (external hexagon, internal hexagon, and Morse tapered) and 3 abutment materials (titanium, zirconia, and hybrid) as follows: external hexagon-titanium, external hexagon-zirconia, external hexagon-hybrid, internal hexagon-titanium, internal hexagon-zirconia, internal hexagon-hybrid, Morse tapered-titanium, Morse tapered-zirconia, and Morse tapered-hybrid. Finite element models consisted of a 4×13-mm implant, anatomic abutment, and lithium disilicate central incisor crown cemented over the abutment. The 49 N occlusal loading was applied in 6 steps to simulate the incisal guidance. Equivalent von Mises stress (σvM) was used for both the qualitative and quantitative evaluation of the implant and abutment in all the groups and the maximum (σmax) and minimum (σmin) principal stresses for the numerical comparison of the zirconia parts. The highest abutment σvM occurred in the Morse-tapered groups and the lowest in the external hexagon-hybrid, internal hexagon-titanium, and internal hexagon-hybrid groups. The σmax and σmin values were lower in the hybrid groups than in the zirconia groups. The stress distribution concentrated in the abutment-implant interface in all the groups, regardless of the platform connection or abutment material. The platform connection influenced the stress on abutments more than the abutment material. The stress values for implants were similar among different platform connections, but greater stress concentrations were observed in internal connections.