The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.

Bioactive mesopore-glass microspheres with controllable protein-delivery properties by biomimetic surface modification

Microsphere systems with the ideal properties for bone regeneration need to be bioactive, and at the same time possess the capacity for controlled protein/drug-delivery; however, the current crop of microsphere system fails to fulfill these properties. The aim of this study was to develop a novel protein-delivery system of bioactive mesoporous glass (MBG) microspheres by a biomimetic method through controlling the density of apatite on the surface of microspheres, for potential bone tissue regeneration. MBG microspheres were prepared by using the method of alginate cross-linking with Ca2+ ions. The cellular bioactivity of MBG microspheres was evaluated by investigating the proliferation and attachment of bone marrow stromal cell (BMSC). The loading efficiency and release kinetics of bovine serum albumin (BSA) on MBG microspheres were investigated after coprecipitating with biomimetic apatite in simulated body fluids (SBF). The results showed that MBG microspheres supported BMSC attachment and the Si containing ionic products from MBG microspheres stimulated BMSCs proliferation. The density of apatite on MBG microspheres increased with the length of soaking time in SBF. BSA-loading efficiency of MBG was significantly enhanced by co-precipitating with apatite. Furthermore, the loading efficiency and release kinetics of BSA could be controlled by controlling the density of apatite formed on MBG microspheres. Our results suggest that MBG microspheres are a promising protein-delivery system as a filling material for bone defect healing and regeneration.

Electro-spinning of pure collagen nano-fibres – just an expensive way to make gelatin?

Scaffolds manufactured from biological materials promise better clinical functionality, providing that characteristic features are preserved. Collagen, a prominent biopolymer, is used extensively for tissue engineering applications, because its signature biological and physico-chemical properties are retained in vitro preparations. We show here for the first time that the very properties that have established collagen as the leading natural biomaterial are lost when it is electro-spun into nano-fibres out of fluoroalcohols such as 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol or 2,2,2-trifluoroethanol. We further identify the use of fluoroalcohols as the major culprit in the process. The resultant nano-scaffolds lack the unique ultra-structural axial periodicity that confirms quarter-staggered supramolecular assemblies and the capacity to generate second harmonic signals, representing the typical crystalline triple-helical structure. They were also characterised by low denaturation temperatures, similar to those obtained from gelatin preparations ( p > 0.05). Likewise, circular dichroism spectra revealed extensive denaturation of the electro-spun collagen. Using pepsin digestion in combination with quantitative SDS-PAGE, we corroborate great losses of up to 99% of triple-helical collagen. In conclusion, electro-spinning of collagen out of fluoroalcohols effectively denatures this biopolymer, and thus appears to defeat its purpose, namely to create biomimetic scaffolds emulating the collagen structure and function of the extracellular matrix.

Investigation of inclusions trapped inside Libyan Desert glass by Raman microscopy

Several specimens of Libyan Desert Glass (LDG), an enigmatic natural glass from Egypt, were subjected to investigation by micro-Raman spectroscopy. The spectra of inclusions inside the LDG samples were successfully measured through the layers of glass and the mineral species were identified on this basis. The presence of cristobalite as typical for high-temperature melt products was confirmed, together with co-existing quartz. TiO2 was determined in two polymorphic species, rutile and anatase. Micro-Raman spectroscopy proved also the presence of minerals unusual for high-temperature glasses such as anhydrite and aragonite.

Metallic glass fiber-reinforced Zr-based bulk metallic glass

A novel Zr-based bulk metallic glass composite was fabricated using stainless steel capillaries as the reinforcement. Large plasticity (14%) was achieved in the composite with a reinforcement volume fraction of 38%. The high plasticity observed can be attributed to the formation of small glass fibers encapsulated by the steel capillaries, which promotes multiple shear bands in both metallic glass matrix and the fibers themselves. A new parameter was also proposed to approximately evaluate the reinforcement efficiency.

Stars are made of glass : children as capable and creative communicators

This booklet is the third in the Research in Practice Series, designed to complement Belonging, being & becoming: The Early Years Learning Framework for Australia (DEEWR, 2009). It focuses on Learning Outcome 5 of the Early Years Learning Framework (EYLF): Children are effective communicators (DEEWR, 2009).

Down the rabbit hole and through the looking glass: A conception of information seeking and searching through a diary study.

Information behaviour (IB) is an area within Library and Information Science that studies the totality of human behaviour in relation to information, both active and passive, along with the explicit and the tacit mental states related to information. This study reports on a recently completed dissertation research that integrates the different models of information behaviours using a diary study where 34 participants maintained a daily journal for two weeks through a web log or paper diary. This resulted in thick descriptions of IB, which were manually analysed using the Grounded Theory method of inquiry, and then cross-referenced through both text-analysis and statistical analysis programs. Among the many key findings of this study, one is the focus this paper: how participants express their feelings of the information seeking process and their mental and affective states related specifically to the sense-making component which co-occurs with almost every other aspect of information behaviour. The paper title – Down the Rabbit Hole and Through the Looking Glass – refers to an observation that some of the participants made in their journals when they searched for, or avoided information, and wrote that they felt like they have fallen into a rabbit hole where nothing made sense, and reported both positive feelings of surprise and amazement, and negative feelings of confusion, puzzlement, apprehensiveness, frustration, stress, ambiguity, and fatigue. The study situates this sense-making aspects of IB within an overarching model of information behaviour that includes IB concepts like monitoring information, encountering information, information seeking and searching, flow, multitasking, information grounds, information horizons, and more, and proposes an integrated model of information behaviour illuminating how these different concepts are interleaved and inter-connected with each other, along with it's implications for information services.

A comparative study of mesoporous-glass/silk and non-mesoporous-glass/silk scaffolds : physiochemistry and in vivo osteogenesis

Mesoporous bioactive glass (MBG) is a new class of biomaterials with a well-ordered nanochannel structure, whose in vitro bioactivity is far superior than that of non-mesoporous bioactive glass (BG); the material's in vivo osteogenic properties are, however, yet to be assessed. Porous silk scaffolds have been used for bone tissue engineering, but this material's osteoconductivity is far from optimal. The aims of this study were to incorporate MBG into silk scaffolds in order to improve their osteoconductivity and then to compare the effect of MBG and BG on the in vivo osteogenesis of silk scaffolds. MBG/silk and BG/silk scaffolds with a highly porous structure were prepared by a freeze-drying method. The mechanical strength, in vitro apatite mineralization, silicon ion release and pH stability of the composite scaffolds were assessed. The scaffolds were implanted into calvarial defects in SCID mice and the degree of in vivo osteogenesis was evaluated by microcomputed tomography (μCT), hematoxylin and eosin (H&E) and immunohistochemistry (type I collagen) analyses. The results showed that MBG/silk scaffolds have better physiochemical properties (mechanical strength, in vitro apatite mineralization, Si ion release and pH stability) compared to BG/silk scaffolds. MBG and BG both improved the in vivo osteogenesis of silk scaffolds. μCT and H&E analyses showed that MBG/silk scaffolds induced a slightly higher rate of new bone formation in the defects than did BG/silk scaffolds and immunohistochemical analysis showed greater synthesis of type I collagen in MBG/silk scaffolds compared to BG/silk scaffolds.