Investigation of Frustrated Quasi-One-Dimensional Quantum Spin-Chain Materials

Copper arsenite CuAs2O4 and Copper antimonite CuSb2O4 are S=1/2 (Cu2+ 3d9 electronic configuration) quasi-one-dimensional quantum spin-chain compounds. Both compounds crystallize with tetragonal structures containing edge sharing CuO6 octahedra chains which experience Jahn-Teller distortions. The basal planes of the octahedra link together to form CuO2 ribbon-chains which harbor Cu2+ spin-chains. These compounds are magnetically frustrated with competing nearest-neighbour and next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. Despite the similarities between CuAs2O4 and CuSb2O4, they exhibit very different magnetic properties. In this thesis work, the physical properties of CuAs2O4 and CuSb2O4 are investigated using a variety of experimental techniques which include x-ray diffraction, magnetic susceptibility measurements, heat capacity measurements, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance, neutron diffraction, and dielectric capacitance measurements. CuAs2O4 exhibits dominant ferromagnetic nearest-neighbour and weaker antiferromagnetic next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. The ratio of the intrachain interactions amounts to Jnn/Jnnn = -4.1. CuAs2O4 was found to order with a ferromagnetic groundstate below TC = 7.4 K. An extensive physical characterization of the magnetic and structural properties of CuAs2O4 was carried out. Under the effect of hydrostatic pressure, CuAs2O4 was found to undergo a structural phase transition at 9 GPa to a new spin-chain structure. The structural phase transition is accompanied by a severe alteration of the magnetic properties. The high-pressure phase exhibits dominant ferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions and weaker ferromagnetic nearest-neighbour interactions. The ratio of the intrachain interactions in the high-pressure phase was found to be Jnn/Jnnn = 0.3. Structural and magnetic characterizations under hydrostatic pressure are reported and a relationship between the structural and magnetic properties was established. CuSb2O4 orders antiferromagnetically below TN = 1.8 K with an incommensurate helicoidal magnetic structure. CuSb2O4 is characterized by ferromagnetic nearest-neighbour and antiferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions with Jnn/Jnnn = -1.8. A (H, T) magnetic phase diagram was constructed using low-temperature magnetization and heat capacity measurements. The resulting phase diagram contains multiple phases as a consequence of the strong intrachain magnetic frustration. Indications of ferroelectricity were observed in the incommensurate antiferromagnetic phase.

Structural, Magnetic and Thermal Studies of Ce1-xEuxCrO3 Nano-Powders

A new series of nano-sized Ce1-xEuxCrO3 (x = 0.0 to 1.0) with an average particle size of 50 - 80 nm were synthesized using a solution combustion method. Nano-powders Ce1-xEuxCrO3 with the canted antiferromagnetic property exhibited interesting magnetic behaviours including the reversal magnetization and the exchange bias effect. The effect of europium doping as the ion with the smaller radius size and different electron con figuration on structural, magnetic and thermal properties of Ce1-xEuxCrO3 were investigated using various experimental techniques, i.e. DC/AC magnetic susceptibility, heat capacity, thermal expansion, Raman scattering, X-ray photoemission spectroscopy, transmission/scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction and neutron scattering. An exchange bias effect, magnetization irreversibility and AC susceptibility dispersion in these samples confirmed the existence of the spin disorder magnetic phase in Ce1-xEuxCrO3 compounds. The exchange bias phenomenon, which is assigned to the exchange coupling between glassy-like shell and canted antiferromagnetic core, showed the opposite sign in CeCrO3 and EuCrO3 at low temperatures, suggesting different exchange interactions at the interfaces in these compounds. The energy level excitation of samples were examined by an inelastic neutron scattering which was in good agreement with the heat capacity data. Neutron scattering analysis of EuCrO3 was challenging due to the large neutron absorption cross-section of europium. All diffraction patterns of Ce1-xEuxCrO3 showed the magnetic peak attributed to the antiferromagnetic Cr3+ spins while none of the diffraction patterns could detect the magnetic ordering of the rare-earth ions in these samples.

High-Spin and Emissive Molecular Materials: Synthesis and Characterization of New Polynuclear Ni(II) Complexes from the Use of Aromatic Schiff Bases as Bridging Ligands

The employment of the bridging/chelating Schiff bases, N-salicylidene-4-methyl-o-aminophenol (samphH2) and N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (nacbH2), in nickel cluster chemistry has afforded eight polynuclear Ni(II) complexes with new structural motifs, interesting magnetic and optical properties, and unexpected organic ligand transformations. In the present thesis, Chapter 1 deals with all the fundamental aspects of polynuclear metal complexes, molecular magnetism and optics, while research results are reported in Chapters 2 and 3. In the first project (Chapter 2), I investigated the coordination chemistry of the organic chelating/bridging ligand, N-salicylidene-4-methyl-o-aminophenol (samphH2). The general NiII/tBuCO2-/samphH2 reaction system afforded two new tetranuclear NiII clusters, namely [Ni4(samph)4(EtOH)4] (1) and [Ni4(samph)4(DMF)2] (2), with different structural motifs. Complex 1 possessed a cubane core while in complex 2 the four NiII ions were located at the four vertices of a defective dicubane. The nature of the organic solvent was found to be of pivotal importance, leading to compounds with the same nuclearity, but different structural topologies and magnetic properties. The second project, the results of which are summarized in Chapter 3, included the systematic study of a new optically-active Schiff base ligand, N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (nacbH2), in NiII cluster chemistry. Various reactions between NiX2 (X- = inorganic anions) and nacbH2 were performed under basic conditions to yield six new polynuclear NiII complexes, namely (NHEt3)[Ni12(nacb)12(H2O)4](ClO4) (3), (NHEt3)2[Ni5(nacb)4(L)(LH)2(MeOH)] (4), [Ni5(OH)2(nacb)4(DMF)4] (5), [Ni5(OMe)Cl(nacb)4(MeOH)3(MeCN)] (6), (NHEt3)2[Ni6(OH)2(nacb)6(H2O)4] (7), and [Ni6(nacb)6(H2O)3(MeOH)6] (8). The nature of the solvent, the inorganic anion, X-, and the organic base were all found to be of critical importance, leading to products with different structural topologies and nuclearities (i.e., {Ni5}, {Ni6} and {Ni12}). Magnetic studies on all synthesized complexes revealed an overall ferromagnetic behavior for complexes 4 and 8, with the remaining complexes being dominated by antiferromagnetic exchange interactions. In order to assess the optical efficiency of the organic ligand when bound to the metal centers, photoluminescence studies were performed on all synthesized compounds. Complexes 4 and 5 show strong emission in the visible region of the electromagnetic spectrum. Finally, the ligand nacbH2 allowed for some unexpected organic transformations to occur; for instance, the pentanuclear compound 5 comprises both nacb2- groups and a new organic chelate, namely the anion of 5-chloro-2-[(3-hydroxy-4-oxo-1,4-dihydronaphthalen-1-yl)amino]benzoic acid. In the last section of this thesis, an attempt to compare the NiII cluster chemistry of the N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid ligand with that of the structurally similar but less bulky, N-salicylidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (sacbH2), was made.

Decarboxylative Generation of Carbenes for the Synthesis of N-Heterocyclic Carbene Copper(I) Complexes - Applications in the Oxidative Coupling of 2-Naphthols

Le présent mémoire décrit la synthèse et l’utilité de complexes Cu-NHC. En premier lieu, la synthèse de complexes de cuivre porteurs de ligand(s) de type carbène-N-hétérocyclique (NHC) via une génération décarboxylative de carbènes sera présentée. En effet, de précédents rapports font état de l’utilisation de carboxylates d’imidazol(in)ium en tant que précurseurs carbéniques sous conditions thermolytiques. Ainsi, la présente étude montre l’utilisation de ces espèces zwitterioniques pour la synthèse de complexes de cuivre(I) mono- et bis-NHC comportant divers substituants et contre-ions. Une seconde partie du projet se concentrera sur l’évaluation de complexes Cu-NHC en tant que catalyseurs pour la synthèse de 2,2’-binaphtols via une réaction de couplage oxydatif de naphtols. L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier les effets de variations structurales de différents complexes Cu-NHC afin de construire un processus catalytique plus efficace. Les effets de la structure du catalyseur sur la réaction de couplage ont été évalués en variant son contre-ion, le nombre de ligands NHC se coordonnant au cuivre, ainsi que la nature des substituants du ligand.

Monoacylglycerol as a metabolic coupling factor in glucose-stimulated insulin secretion

Les cellules beta pancréatiques sécrètent l’insuline lors d’une augmentation post-prandiale du glucose dans le sang. Ce processus essentiel est contrôlé par des facteurs physiologiques, nutritionnels et pathologiques. D’autres sources d’énergie, comme les acides aminés (leucine et glutamine) ou les acides gras potentialisent la sécrétion d’insuline. Une sécrétion d’insuline insuffisante au besoin du corps déclanche le diabète. Le rôle que joue l’augmentation du calcium intracellulaire et les canaux K+/ATP dans la sécrétion d’insuline est bien connu. Bien que le mécanisme exact de la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les lipides est inconnu, le cycle Glycérolipides/Acides gras (GL/FFA) et son segment lipolytique ont été reconnu comme un composant essentiel de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline. Le diacylglycérol, provenant de la lipolyse, a été proposé comme un signal lipidique important d’amplification. Cependant, l’hydrolyse des triglycérides et des diacylglycérides a été démontrée essentielle pour la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, en suggérant un rôle du monoacylglycérol (MAG) dans ce processus. Dans cette étude, on démontre que la réduction de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, lors d’une inhibition de la lipolyse, est restaurée par l’addition de MAG. Dans les cellules beta pancréatiques, le niveau de MAG augmente en présence des concentrations élevées du glucose, et également lorsqu’on inhibe l’enzyme MAG hydrolase abhydrolase-6 (ABHD6) avec l’inhibiteur spécifique WWL70. L’analyse lipidomique a démontré qu’après la stimulation des cellules beta pancréatiques avec le glucose et aussi avec le WWL70, l’espèce la plus accumulée de MAG était le 1-stearoylglycérol (1-SG). L’addition de 1-SG, de 1-palmitoylglycérol (1-PG) ou de WWL70 augmente la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, et cette augmentation est indépendante de la génération de acides gras à partir de MAG. Cela suggère que le MAG est un signal lipidique pour la potentialisation de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. De plus, la surexpression du gène d’ABHD6 dans les cellules INS832/13 cause une réduction de la sécrétion d’insuline, due probablement à la diminution des niveaux intracellulaire de MAG. Avec le but de comprendre le mécanisme moléculaire impliqué dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par le MAG, on a bloqué l’action du récepteur vanilloid-1 (TRPV1) liant le MAG par l’agent pharmacologiste, AMG9810. Le traitement des cellules beta pancréatique par AMG9810 entraîne une diminution de la potentialisation de la sécrétion de l’insuline induite par le MAG. Il est a noter que le MAG pourrait activer TRPV1 par une liaison physique dans la membrane cellulaire interne; ce qui entraînerai l’entrée du calcium dans la cellule, et ensuite la stimulation de l’exocytose des granules à insuline. En soutien de cette hypothèse, on a trouvé une diminution du calcium intracellulaire lorsqu’on traite au AMG9810 des cellules beta pancréatique de rat (provenant des îlots dispersés) stimulées au glucose et au WWL70. L’ensemble des résultats suggère que le MAG est un médiateur de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. Vu que l’inhibition pharmacologique d’ABHD6 augmente la sécrétion d’insuline, on pourra conclure que cette enzyme représente une cible thérapeutique potentielle dans le développement des médicaments anti-diabétiques, visant une augmentation de la sécrétion d’insuline.

Spectroscopie Raman de complexes de fer(II) et fer(III) à transition de spin

Les transitions de spin provoquent des changements de propriétés physiques des complexes de métaux du bloc d les subissant, notamment de leur structure et propriétés spectroscopiques. Ce mémoire porte sur la spectroscopie Raman de composés du fer(II) et du fer(III), pour lesquels on induit une transition de spin par variation de la température ou de la pression. Trois complexes de fer(II) de type FeN4(NCS)2 avec des comportements de transition de spin différents ont été étudiés : Fe(Phen)2(NCS)2 (Phen : 1,10-Phénanthroline), Fe(Btz)2(NCS)2 (Btz : 2,2’-bi-4,5-dihydrothiazine) et Fe(pyridine)4(NCS)2. Un décalage de l’ordre de 50 cm-1 est observable pour la fréquence d’étirement C-N du ligand thiocyanate des complexes FeN4(NCS)2, lors de la transition de spin induite par variation de la température ou de la pression. Il est possible d’utiliser cette variation de fréquence afin de tracer un profil de transition. Quatre complexes isomères de type FeL222(CN)2 (L222 : 2,13- diméthyl-6,9-dioxa-3,12,18-triazabicyclo[12.3.1]-octadéca-1(18),2,12,14,16-pentaène) ont également été étudiés. Un taux de décalage de l’ordre d’environ 0,03 cm-1/K est observé pour plusieurs bandes du complexe FeL222(CN)2. La bande à 1415 cm-1 disparaît à plus haute température au profit d’une bande à 1400 cm-1. Pour le complexe de chiralité R,R’, les bandes à 1008 cm-1 et 1140 cm-1 se déplacent vers des fréquences plus élevées à partir de 223 K. Les transitions de spin sont observées dans certains complexes de fer(III). Dans cette famille de composés, le complexe Fe(EtDTC)3 (EtDTC : N,N-diéthyldithiocarbamate) a été étudié . Aucun changement n’a été observé dans l’intensité des bandes d’étirement fer-soufre sur les spectres à température variable. Cependant, la bande Fe-S associée à la forme bas-spin à 530 cm-1 augmente en intensité au profit de la bande associée à la forme haut-spin à 350 cm-1 lors des mesures à haute pression, passant d’un rapport d’amplitude de 50% à pression ambiante à 80% à 21 kbar. Un dédoublement de la bande d’étirement C-N du ligand dithiocarbamate à 1495 cm-1 est également observé à des pressions supérieures à 5 kbar. Une comparaison des changements des fréquences de vibration de tous les complexes est effectuée.

Systèmes superintégrables avec spin et intégrales du mouvement d’ordre deux

Ce mémoire est une partie d’un programme de recherche qui étudie la superintégrabilité des systèmes avec spin. Plus particulièrement, nous nous intéressons à un hamiltonien avec interaction spin-orbite en trois dimensions admettant une intégrale du mouvement qui est un polynôme matriciel d’ordre deux dans l’impulsion. Puisque nous considérons un hamiltonien invariant sous rotation et sous parité, nous classifions les intégrales du mouvement selon des multiplets irréductibles de O(3). Nous calculons le commutateur entre l’hamiltonien et un opérateur général d’ordre deux dans l’impulsion scalaire, pseudoscalaire, vecteur et pseudovecteur. Nous donnons la classification complète des systèmes admettant des intégrales du mouvement scalaire et vectorielle. Nous trouvons une condition nécessaire à remplir pour le potentiel sous forme d’une équation différentielle pour les cas pseudo-scalaire et pseudo-vectoriel. Nous utilisons la réduction par symétrie pour obtenir des solutions particulières de ces équations.

Optimization Studies to Improve MSC-based Cardiac Cell Therapy : Cytokine Preconditioning and Nanoparticle Coupling

Contexte: La cardiopathie ischémique (IHD) reste une cause majeure de mortalité en Amérique du Nord. La thérapie cellulaire cardiaque (CCT) a émergé comme une thérapie prometteuse pour aider à guérir certaines malades cardiaques. Parmi les cellulaires avec propriétés pluripotentes, les cellules stromales mésenchymateuses (MSC) sont prometteuses. Cependant, plusieurs questions demeurent non résolues et certaines défis empêchent l'application clinique de la CCT se dans l'IHD, tels que le faible taux de rétention cellulaire in situ, le suivi des cellules in vivo post-implantation et post-acheminements et l`apoptose. Ici, le traitement préliminaire des MSC avec des facteurs de croissance et leur couplage avec des nanoparticules (NP) seront étudiés comme des méthodes pour optimiser MSC. Méthodes: Des MSCs provenant du rat (rMSC) et du cochon (pMSC) ont été isolés à partir de moelle osseuse. Les rMSC ont été préconditionnées avec SDF-1a, TSG-6 et PDGF-BB, et ensuite soumises à une hypoxie, une privation de sérum et a un stress oxydatif. Des études de cicatrisation ont également été effectués avec rMSCs préconditionnées. En parallèle, de nouvelles NP ferromagnétiques liées aux silicones ont été synthétisées. Les NPs ont été couplées aux pMSCs suivant leur fonctionnalisation avec l`anticorps, CD44, un antigène de surface du MSC bien connu. Par la suite, les études de biocompatibilité ont été réalisées sur pMSC-NP et en incluant des tests des processus cellulaires tels que la migration, l'adhésion, la prolifération et les propriétés de la différenciation. Résultats: Parmi toutes les cytokines testées, PDGF-BB a démontré la plus grande capacité à améliorer la survie de MSC dans des conditions d'hypoxie, de privation de sérum et en reponse au stress oxydatif. La conjugaison de NP a atténué la migration et la prolifération des pMSCs, mais n`a pas changé leur capacité de différenciation. Enfin, la complexe du MSC-NP est détectable par IRM. Conclusion: Nos données suggèrent que de nouvelles stratégies, telles que traitement préliminaire de PDGF-BB et le couplage des nanoparticules ferromagnétiques, peuvent être considérés comme des avenues prometteuse pour optimiser les MSCs pour la CCT.

Effect of Silane Coupling Agent on Cure Characteristics and Mechanical Properties of Nitrile Rubber/Reclaimed Rubber Blend

Blends of nitrile rubber and reclaimed rubber containing different levels of a coupling agent, Si 69 (bis(3- triethoxysilyl propyl)(tetrasulphide) were prepared and the cure characteristic's and mechanical properties were studied. Optimum loading of Si-69 was found to be a function of blend ratio. 3 phi- of Si 69 in a 70:30. Blend was found to be the optimum combination with respect to the mechanical properties. The rate and state of cure were also affected bv the conp/ing agent. Tensile strength, tear strength and abrasion resistance were improved in the presence of coupling agent. While the state of cure improved, the cure rate and scorch time decreased with increasing silane content. Ageing studies showed that the blends containing the coupling agent were inferior to the unmodified blends.

Effect of Silane Coupling Agent on Cure Characteristics and Mechanical Properties of Chloroprene Rubber/Reclaimed Rubber Blend

Chloroprene rubber was blended with whole tire reclaimed rubber (WTR) in presence of different levels of a coupling agent Si69 [bis- (3-(triethoxysilyl)propy1)tetrasuIfide] and the cure characteristics and mechanical properties were studied. The rate and state of cure were also affected by the coupling agent. While the cure time was increased, the cure rate and scorch time were decreased with increasing silane content. Tensile strength, tear strength, and abrasion resistance were improved in the presence of coupling agent. Compression set and resilience were adversely affected in presence of silane-coupling agent.Aging studies showed that the blends containing the coupling agent were inferior to the unmodified blends.

Improved Loaded Quality Factor of Cavity Resonators with Cross lris Coupling

The performance of circular, rectangular and cross irises for the coupling of microwave power to rectangular waveguide cavity resonators is discussed. For the measurement of complex permittivity of materials using cavity perturbation techniques, rectangular cavities with high Q-factors are required. Compared to the conventional rectangular and circular irises, the cross Iris coupling structure provides very high loaded quality factor for all the resonant frequencies. The proposes cross iris coupling structure enhances the accuracy of complex permittivity measurements.

Transverse dipole spin modes in quantum dots

We have carried out a systematic analysis of the transverse dipole spin response of a large-size quantum dot within time-dependent current density functional theory. Results for magnetic fields corresponding to integer filling factors are reported, as well as a comparison with the longitudinal dipole spin response. As in the two-dimensional electron gas, the spin response at high-spin magnetization is dominated by a low-energy transverse mode.

Wave-vector dependence of spin and density multipole excitations in quantum dots

We have employed time-dependent local-spin density-functional theory to analyze the multipole spin and charge density excitations in GaAs-AlxGa1-xAs quantum dots. The on-plane transferred momentum degree of freedom has been taken into account, and the wave-vector dependence of the excitations is discussed. In agreement with previous experiments, we have found that the energies of these modes do not depend on the transferred wave vector, although their intensities do. Comparison with a recent resonant Raman scattering experiment [C. Schüller et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2673 (1998)] is made. This allows us to identify the angular momentum of several of the observed modes as well as to reproduce their energies