Dynamic Analysis and Pattern Visualization of Forest Fires

This paper analyses forest fires in the perspective of dynamical systems. Forest fires exhibit complex correlations in size, space and time, revealing features often present in complex systems, such as the absence of a characteristic length-scale, or the emergence of long range correlations and persistent memory. This study addresses a public domain forest fires catalogue, containing information of events for Portugal, during the period from 1980 up to 2012. The data is analysed in an annual basis, modelling the occurrences as sequences of Dirac impulses with amplitude proportional to the burnt area. First, we consider mutual information to correlate annual patterns. We use visualization trees, generated by hierarchical clustering algorithms, in order to compare and to extract relationships among the data. Second, we adopt the Multidimensional Scaling (MDS) visualization tool. MDS generates maps where each object corresponds to a point. Objects that are perceived to be similar to each other are placed on the map forming clusters. The results are analysed in order to extract relationships among the data and to identify forest fire patterns.

Dynamic Analysis and Pattern Visualization of Forest Fires

This paper analyses forest fires in the perspective of dynamical systems. Forest fires exhibit complex correlations in size, space and time, revealing features often present in complex systems, such as the absence of a characteristic length-scale, or the emergence of long range correlations and persistent memory. This study addresses a public domain forest fires catalogue, containing information of events for Portugal, during the period from 1980 up to 2012. The data is analysed in an annual basis, modelling the occurrences as sequences of Dirac impulses with amplitude proportional to the burnt area. First, we consider mutual information to correlate annual patterns. We use visualization trees, generated by hierarchical clustering algorithms, in order to compare and to extract relationships among the data. Second, we adopt the Multidimensional Scaling (MDS) visualization tool. MDS generates maps where each object corresponds to a point. Objects that are perceived to be similar to each other are placed on the map forming clusters. The results are analysed in order to extract relationships among the data and to identify forest fire patterns.

The Persistence of Memory

This paper analyzes several natural and man-made complex phenomena in the perspective of dynamical systems. Such phenomena are often characterized by the absence of a characteristic length-scale, long range correlations and persistent memory, which are features also associated to fractional order systems. For each system, the output, interpreted as a manifestation of the system dynamics, is analyzed by means of the Fourier transform. The amplitude spectrum is approximated by a power law function and the parameters are interpreted as an underlying signature of the system dynamics. The complex systems under analysis are then compared in a global perspective in order to unveil and visualize hidden relationships among them.

Dynamical Analysis and Visualization of Tornadoes Time Series

In this paper we analyze the behavior of tornado time-series in the U.S. from the perspective of dynamical systems. A tornado is a violently rotating column of air extending from a cumulonimbus cloud down to the ground. Such phenomena reveal features that are well described by power law functions and unveil characteristics found in systems with long range memory effects. Tornado time series are viewed as the output of a complex system and are interpreted as a manifestation of its dynamics. Tornadoes are modeled as sequences of Dirac impulses with amplitude proportional to the events size. First, a collection of time series involving 64 years is analyzed in the frequency domain by means of the Fourier transform. The amplitude spectra are approximated by power law functions and their parameters are read as an underlying signature of the system dynamics. Second, it is adopted the concept of circular time and the collective behavior of tornadoes analyzed. Clustering techniques are then adopted to identify and visualize the emerging patterns.

A Transportation Safety Planning Tool for the City of Ames, August 2011

The historically-reactive approach to identifying safety problems and mitigating them involves selecting black spots or hot spots by ranking locations based on crash frequency and severity. The approach focuses mainly on the corridor level without taking the exposure rate (vehicle miles traveled) and socio-demographics information of the study area, which are very important in the transportation planning process, into consideration. A larger study analysis unit at the Transportation Analysis Zone (TAZ) level or the network planning level should be used to address the needs of development of the community in the future and incorporate safety into the long-range transportation planning process. In this study, existing planning tools (such as the PLANSAFE models presented in NCHRP Report 546) were evaluated for forecasting safety in small and medium-sized communities, particularly as related to changes in socio-demographics characteristics, traffic demand, road network, and countermeasures. The research also evaluated the applicability of the Empirical Bayes (EB) method to network-level analysis. In addition, application of the United States Road Assessment Program (usRAP) protocols at the local urban road network level was investigated. This research evaluated the applicability of these three methods for the City of Ames, Iowa. The outcome of this research is a systematic process and framework for considering road safety issues explicitly in the small and medium-sized community transportation planning process and for quantifying the safety impacts of new developments and policy programs. More specifically, quantitative safety may be incorporated into the planning process, through effective visualization and increased awareness of safety issues (usRAP), the identification of high-risk locations with potential for improvement, (usRAP maps and EB), countermeasures for high-risk locations (EB before and after study and PLANSAFE), and socio-economic and demographic induced changes at the planning-level (PLANSAFE).

Solid state NMR chemical shifts as an alternative to diffraction data in the determination of SIC polytypic structures

Silicon carbide, which has many polytypic modifications of a very simple and very symmetric structure, is an excellent model system for exploring, the relationship between chemical shift, long-range dipolar shielding, and crystal structure in network solids. A simple McConnell equation treatment of bond anisotropy effects in a poly type predicts chemical shifts for silicon and carbon sites which agree well with the experiment, provided that contributions from bonds up to 100 A are included in the calculation. The calculated chemical shifts depend on three factors: the layer stacking sequence, electrical centre of gravity, and the spacings between silicon and carbon layers. The assignment of peaks to lattice sites is proved possible for three polytypes (6H, 15R, and 3C). The fact that the calculated chemical shifts are very sensitive to layer spacings provides us a potential way to detennine and refine a crystal structure. In this work, the layer spacings of 6H SiC have been calculated and are within X-ray standard deviations. Under this premise, the layer spacings of 15R have been detennined. 29Si and 13C single crystal nmr studies of 6H SiC polytype indicate that all silicons and carbons are magnetically anisotropic. The relationship between a magnetic shielding tensor component and layer spacings has been derived. The comparisons between experimental and semi-empirical chemical shielding tensor components indicate that the paramagnetic shielding of silicon should be included in the single crystal chemical shift calculation.

Single-Molecule Magnets and Multifunctional Molecular Magnetic Materials Based on Polynuclear Metal Complexes

Our work on single molecule magnets and multifunctional magnetic materials is presented in four projects. In the first project we show for first time that heteroatomic-type pseudohalides, such as OCN-, can be employed as structure-directing ligands and ferromagnetic couplers in higher oxidation state metal cluster chemistry. The initial use of cyanato groups in Mn cluster chemistry has afforded structurally interesting MnII/III14 (1) and MnII/III/IV16 (2) clusters in which the end-on bridging cyanates show a preference in binding through their O-atom. The Mn14 compound shows entirely visible out-of-phase alternating currect signals below 5 K and large hysteresis loops below 2 K. Furthermore, the amalgamation of azido groups with the triethanolamine tripodal ligand in manganese carboxylate cluster chemistry has led to the isolation of a new ferromagnetic, high-nuclearity and mixed-valence MnII/III15Na2 (3) cluster with a large ground-state spin value of S = 14. In the second project we demonstrate a new synthetic route to purely inorganic-bridged, transition metal-azido clusters [CoII7 (4) and NiII7 (5)] and coordination polymers [{FeII/III2}n (6)] which exhibit strong ferromagnetic, SMM and long-range magnetic ordering behaviors. We also show that access to such a unique ferromagnetic class of inorganic, N-rich and O-free materials is feasible through the use of Me3SiN3 as the azido-ligand precursor without requiring the addition of any organic chelating/bridging ligand. In the last projects we have tried to bring together molecular magnetism and optics via the synthesis of multifunctional magnetic materials based on 3d- or 4f-metal ions. We decided to approach such challenge from two different directions: firstly, in our third project, by the deliberate replacement of non-emissive carboxylato ligands in known 3d-SMMs with their fluorescent analogues, without perturbing the metal-core structure and SMM properties (complexes 7, 8, and 9). The second route (last project) involves the use of naphthalene or pyridine-based polyalcohol bridging ligands for the synthesis of new polynuclear LnIII metal clusters (Ln = lanthanide) with novel topologies, SMM behaviors and luminescent properties arising from the increased efficiency of the “antenna” organic group. This approach has led us to the isolation of two new families of LnIII8 (complexes 10-13) and LnIII4 (complexes 14-20) clusters.

The Effects of Magnetic Dilution and Applied Pressure on Several Frustrated Spinels

The effects of magnetic dilution and applied pressure on frustrated spinels GeNi2O4, GeCo2O4, and NiAl2O4 are reported. Dilution was achieved by substitution of Mg2+ in place of magnetically active Co2+ and Ni2+ ions. Large values of the percolation thresholds were found in GeNi(2-x)MgxO4. Specifically, pc1 = 0.74 and pc2 = 0.65 in the sub-networks associated with the triangular and kagome planes, respectively. This anomalous behaviour may be explained by the kagome and triangular planes behaving as coupled networks, also know as a network of networks. In simulations of coupled lattices that form a network of networks, similar anomalous percolation threshold values have been found. In addition, at dilution levels above x=0.30, there is a T^2 dependency in the magnetic heat capacity which may indicate two dimensional spin glass behaviour. Applied pressures in the range of 0 GPa to 1.2 GPa yield a slight decrease in ordering temperature for both the kagome and triangular planes. In GeCo(2-x)MgxO4, the long range magnetic order is more robust with a percolation threshold of pc=0.448. Similar to diluted nickel germanate, at low temperatures, a T^2 magnetic heat capacity contribution is present which indicates a shift from a 3D ordered state to a 2D spin glass state in the presence of increased dilution. Dynamic magnetic susceptibility data indicate a change from canonical spin glass to a cluster glass behaviour. In addition, there is a non-linear increase in ordering temperature with applied pressure in the range P = 0 to 1.0 GPa. A spin glass ground state was observed in Ni(1-x)MgxAl2O4 for (x=0 to 0.375). Analysis of dynamic magnetic susceptibility data yield a characteristic time of tau* = 1.0x10^(-13) s, which is indicative of canonical spin glass behaviour. This is further corroborated by the linear behaviour of the magnetic specific heat contribution. However, the increasing frequency dependence of the freezing temperature suggests a trend towards spin cluster glass formation.

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Rôle de la structure du génome viral sur la réplication du virus de l’hépatite C.

Le virus de l'hépatite C (VHC) touche 3% de la population mondiale et environ 30% des patients chroniquement infectés développeront une fibrose hépatique. Son génome est un ARN simple brin de polarité positive qui possède un cadre ouvert de lecture flanqué de deux régions non traduites hautement conservées. Différents facteurs peuvent influencer le cycle de réplication du VHC. Deux d’entre eux ont été étudiés dans cette thèse. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'effet des structures secondaires et tertiaires du génome sur la réplication du VHC. Les extrémités 5' et 3' du génome contiennent des structures ARN qui régulent la traduction et la réplication du VHC. Le 3'UTR est un élément structural très important pour la réplication virale. Cette région est constituée d’une région variable, d’une séquence poly(U/C) et d’un domaine hautement conservé appelé région X. Des études in vitro ont montré que le 3'UTR possède plusieurs structures ARN double brin. Cependant, les structures ARN telles qu'elles existent dans le 3'UTR dans un contexte de génome entier et dans des conditions biologiques étaient inconnues. Pour élucider cette question, nous avons développé une méthode in situ pour localiser les régions ARN simple brin et double brin dans le 3'UTR du génome du VHC. Comme prédit par les études antérieures, nous avons observé qu’in situ la région X du 3’UTR du génome présente des éléments ARN double brin. Étonnamment, lorsque la séquence poly (U/UC) est dans un contexte de génome entier, cette région forme une structure ARN double brin avec une séquence située en dehors du 3'UTR, suggérant une interaction ARN-ARN distale. Certaines études ont démontré que des structures ARN présentes aux extrémités 5’ et 3' du génome du VHC régulent à la fois la traduction et la réplication du VHC. Cela suggère qu'il y aurait une interaction entre les extrémités du génome qui permettrait de moduler ces deux processus. Dans ce contexte, nous avons démontré l'existence d'une interaction distale ARN-ARN, impliquant le domaine II du 5'UTR et la séquence codante de NS5B du génome du VHC. En outre, nous avons démontré que cette interaction joue un rôle dans la réplication de l'ARN viral. Parallèlement, nous avons étudié l'impact d'une molécule immuno-modulatrice sur la réplication du VHC. La fibrose hépatique est une manifestation majeure de l’infection par le VHC. Hors, il a été montré qu'une molécule immuno-modulatrice appelée thalidomide atténuait la fibrose chez les patients infectés par le VHC. Cependant, son impact sur la réplication virale était inconnu. Ainsi, nous avons étudié l'effet de cette molécule sur la réplication du VHC in vitro et nous avons démontré que la thalidomide active la réplication du virus en inhibant la voie de signalisation de NF-kB. Ces résultats soulignent l’importance de la voie de signalisation NF-kB dans le contrôle de la réplication du VHC, et sont à prendre en considération dans l’établissement d’un traitement contre la fibrose hépatique.

Les routes d’invasion du criocère du lis (Lilioceris lilii) en Amérique du Nord

Le criocère du lis, Lilioceris lilii (Coleoptera : Chrysomelidae), un ravageur de lis et de fritillaires d’origine eurasienne, a été observé pour la première fois en Amérique du Nord en 1943 sur l’Ile de Montréal au Canada. Après y avoir été confiné pendant environ 25 années, ce coléoptère a par la suite progressé rapidement sur le territoire nord-américain. Actuellement, on l’observe dans huit provinces canadiennes et huit états américains. Cette étude a investigué les routes d’invasion utilisées par le criocère du lis au Canada et aux États- Unis avec l’aide de marqueurs génétiques AFLP. Pour ce faire, 516 individus parmi 34 sites en Amérique du Nord et en Europe ont été échantillonnés et analysés. Le premier objectif était de déterminer, en analysant la structure génétique des populations nord-américains, s’il y avait eu une ou plusieurs introductions en provenance d’Europe. Le deuxième objectif était d’identifier l’origine de la ou des populations introduites en Amérique du Nord. Finalement, le troisième objectif consistait à proposer un scénario d’invasion de L. lilii en Amérique du Nord basé sur les données de première mention et de structure génétique des populations échantillonnées. Les résultats démontrent une signature génétique distincte entre les criocères du lis du Canada et ceux des États-Unis, suggérant ainsi deux sources d’introductions indépendantes en Amérique du Nord, soit une première introduction à Montréal, Québec, dans les années 1940 et une seconde aux États-Unis au début des années 1990 à Cambridge, Massachusetts. De plus, les deux populations nord-américaines semblent provenir de différentes régions du nord de l’Europe, ce qui est conséquent avec le scénario suggérant deux sources d’introductions indépendantes. Chacune des populations aurait par la suite progressé respectivement dans leur pays d’introduction selon une dispersion de type stratifiée. En effet, la progression continue de L. lilii dans certaines régions suggère une dispersion naturelle de l’espèce sur le territoire nord-américain, alors que la progression rapide sur de longues distances semble être causée par le transport anthropique de lis contaminés.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Design de nouvelles fonctionnelles en théorie de la fonctionnelle de la densité et conception de polymères pour application à la photovoltaïque organique

La présente thèse porte sur les calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour simuler des systèmes dans lesquels les effets à longue portée sont importants. Une emphase particulière est mise sur les calculs des énergies d’excitations, tout particulièrement dans le cadre des applications photovoltaïques. Cette thèse aborde ces calculs sous deux angles. Tout d’abord, des outils DFT déjà bien établis seront utilisés pour simuler des systèmes d’intérêt expérimental. Par la suite, la théorie sous-jacente à la DFT sera explorée, ses limites seront identifiées et de nouveaux développements théoriques remédiant à ceux-ci seront proposés. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, des calculs numériques utilisant la DFT et la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) telles qu’implémentées dans le logiciel Gaussian [1] sont faits avec des fonctionnelles courantes sur des molécules et des polymères d’intérêt expérimental. En particulier, le projet présenté dans le chapitre 2 explore l’utilisation de chaînes latérales pour optimiser les propriétés électroniques de polymères déjà couramment utilisés en photovoltaïque organique. Les résultats obtenus montrent qu’un choix judicieux de chaînes latérales permet de contrôler les propriétés électroniques de ces polymères et d’augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques les utilisant. Par la suite, le projet présenté dans le chapitre 3 utilise la TDDFT pour explorer les propriétés optiques de deux polymères, le poly-3-hexyl-thiophène (P3HT) et le poly-3-hexyl- sélénophène (P3HS), ainsi que leur mélange, dans le but d’appuyer les observations expérimentales indiquant la formation d’exciplexe dans ces derniers. Les calculs numériques effectués dans la première partie de cette thèse permettent de tirer plusieurs conclusions intéressantes, mais mettent également en évidence certaines limites de la DFT et de la TDDFT pour le traitement des états excités, dues au traitement approximatif de l’interaction coulombienne à longue portée. Ainsi, la deuxième partie de cette thèse revient aux fondements théoriques de la DFT. Plus précisément, dans le chapitre 4, une série de fonctionnelles modélisant plus précisément l’interaction coulombienne à longue portée grâce à une approche non-locale est élaborée. Ces fonctionnelles sont basées sur la WDA (weighted density approximation), qui est modifiée afin d’imposer plusieurs conditions exactes qui devraient être satisfaites par le trou d’échange. Ces fonctionnelles sont ensuite implémentées dans le logiciel Gaussian [1] et leurs performances sont évaluées grâce à des tests effectués sur une série de molécules et d’atomes. Les résultats obtenus indiquent que plusieurs de ces fonctionnelles donnent de meilleurs résultats que la WDA. De plus, ils permettrent de discuter de l’importance relative de satisfaire chacune des conditions exactes.

Développement de méthodes d'assemblage de génomes de novo adaptées aux bactéries endosymbiotes

Le but de ce projet était de développer des méthodes d'assemblage de novo dans le but d'assembler de petits génomes, principalement bactériens, à partir de données de séquençage de nouvelle-génération. Éventuellement, ces méthodes pourraient être appliquées à l'assemblage du génome de StachEndo, une Alpha-Protéobactérie inconnue endosymbiote de l'amibe Stachyamoeba lipophora. Suite à plusieurs analyses préliminaires, il fut observé que l’utilisation de lectures Illumina avec des assembleurs par graphe DeBruijn produisait les meilleurs résultats. Ces expériences ont également montré que les contigs produits à partir de différentes tailles de k-mères étaient complémentaires pour la finition des génomes. L’ajout de longues paires de lectures chevauchantes se montra essentiel pour la finition complète des grandes répétitions génomiques. Ces méthodes permirent d'assembler le génome de StachEndo (1,7 Mb). L'annotation de ce génome permis de montrer que StachEndo possède plusieurs caractéristiques inhabituelles chez les endosymbiotes. StachEndo constitue une espèce d'intérêt pour l'étude du développement endosymbiotique.