Elementary steps in aqueous proton transfer reactions : a first principles molecular dynamics study

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs.

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Simulation de la nage anguilliforme

Ce document traite premièrement des diverses tentatives de modélisation et de simulation de la nage anguilliforme puis élabore une nouvelle technique, basée sur la méthode de la frontière immergée généralisée et la théorie des poutres de Reissner-Simo. Cette dernière, comme les équations des fluides polaires, est dérivée de la mécanique des milieux continus puis les équations obtenues sont discrétisées afin de les amener à une résolution numérique. Pour la première fois, la théorie des schémas de Runge-Kutta additifs est combinée à celle des schémas de Runge-Kutta-Munthe-Kaas pour engendrer une méthode d’ordre de convergence formel arbitraire. De plus, les opérations d’interpolation et d’étalement sont traitées d’un nouveau point de vue qui suggère l’usage des splines interpolatoires nodales en lieu et place des fonctions d’étalement traditionnelles. Enfin, de nombreuses vérifications numériques sont faites avant de considérer les simulations de la nage.

L’engagement professionnel chez les nouveaux enseignants et la satisfaction des gestionnaires d’école à l’égard du travail effectué par les enseignants novices

Le monde actuel, marqué par une augmentation incessante des exigences professionnelles, requiert des enseignants une adaptation constante aux changements sociaux, culturels et économiques. Si, pour les enseignants expérimentés, l’accommodation à ces transformations est accompagnée de plusieurs défis, pour les nouveaux enseignants qui ne maîtrisent pas complètement tous les aspects de la profession, l’intégration au milieu scolaire peut être extrêmement difficile ou même insupportable, au point où certains quittent le métier. Néanmoins, à force de persévérance, un certain nombre des nouveaux enseignants franchissent les obstacles imposés par la profession. Dans leur cas, la satisfaction et l’engagement professionnel peuvent être des caractéristiques importantes qui les incitent à continuer à exercer leurs activités d’enseignement. Dans ce contexte, l’étude vise l’analyse des éléments liés à la construction de l’identité professionnelle des enseignants lors de leur insertion dans le métier, à partir des perceptions des nouveaux enseignants et de celles des gestionnaires des écoles primaires et secondaires. L’harmonie entre la perception de ces deux groupes d’acteurs scolaires peut constituer un important facteur du rendement des professionnels dans leur métier et de l’efficacité des institutions d’enseignement. Ainsi, du côté des nouveaux enseignants, l’étude examine les variables qui peuvent être liées à leur engagement professionnel et de celui des gestionnaires, elle vise à analyser les éléments qui peuvent être liés à leur satisfaction sur le travail effectué par les nouveaux enseignants. La présente étude, de type quantitatif, est constituée des analyses secondaires des données issues des enquêtes pancanadiennes auprès des directions et des enseignants d’écoles primaires et secondaires du Canada, menées en 2005 et 2006 par une équipe de professeurs de différentes universités canadiennes. Les analyses statistiques sont basées sur deux modèles théoriques : (1) l’engagement professionnel des nouveaux enseignants et (2) la satisfaction des gestionnaires sur le travail effectué par les nouveaux enseignants. Ces modèles sont examinés en suivant la théorie classique des tests (TCT) et celle des réponses aux items (TRI) afin de profiter des avantages de chacune des méthodes. Du côté de la TCT, des analyses de cheminement et des modélisations aux équations structurelles ont été effectuées pour examiner les modèles théoriques. Du côté de la TRI, des modélisations de Rasch ont été utilisées pour examiner les propriétés psychométriques des échelles utilisées par la recherche afin de vérifier si les données sont bien ajustées aux modèles et si les items se regroupent de façon logique pour expliquer les traits latents à l’étude. Les résultats mettent en évidence le rapport humain qui définit la profession enseignante. Autrement dit, pour les nouveaux enseignants, les émotions en classe, conséquence du processus d’interaction avec leurs élèves, sont le facteur majeur lié à l’engagement professionnel. Dans le même sens, la relation des nouveaux enseignants avec les divers membres de la communauté scolaire (parents des élèves, gestionnaires, personnel de l’école et autres enseignants) est un facteur-clé de la satisfaction des gestionnaires quant au travail des nouveaux enseignants. Les analyses indiquent également l’importance de la satisfaction au travail dans le modèle des nouveaux enseignants. Cette variable est un important déterminant de l’engagement professionnel et peut être associée à tous les autres éléments du modèle des nouveaux enseignants. Finalement, les résultats indiquent le besoin de construction des variables latentes avec un plus grand nombre d’items pour mieux positionner les personnes dans l’échelle de mesure. Ce résultat est plutôt important pour le modèle des gestionnaires qui indique de mauvais ajustements items-personnes.

Mesures subjectives et épidémiologie : problèmes méthodologiques liés à l'utilisation des techniques psychométriques

L’utilisation des mesures subjectives en épidémiologie s’est intensifiée récemment, notamment avec la volonté de plus en plus affirmée d’intégrer la perception qu’ont les sujets de leur santé dans l’étude des maladies et l’évaluation des interventions. La psychométrie regroupe les méthodes statistiques utilisées pour la construction des questionnaires et l’analyse des données qui en sont issues. Ce travail de thèse avait pour but d’explorer différents problèmes méthodologiques soulevés par l’utilisation des techniques psychométriques en épidémiologie. Trois études empiriques sont présentées et concernent 1/ la phase de validation de l’instrument : l’objectif était de développer, à l’aide de données simulées, un outil de calcul de la taille d’échantillon pour la validation d’échelle en psychiatrie ; 2/ les propriétés mathématiques de la mesure obtenue : l’objectif était de comparer les performances de la différence minimale cliniquement pertinente d’un questionnaire calculée sur des données de cohorte, soit dans le cadre de la théorie classique des tests (CTT), soit dans celui de la théorie de réponse à l’item (IRT) ; 3/ son utilisation dans un schéma longitudinal : l’objectif était de comparer, à l’aide de données simulées, les performances d’une méthode statistique d’analyse de l’évolution longitudinale d’un phénomène subjectif mesuré à l’aide de la CTT ou de l’IRT, en particulier lorsque certains items disponibles pour la mesure différaient à chaque temps. Enfin, l’utilisation de graphes orientés acycliques a permis de discuter, à l’aide des résultats de ces trois études, la notion de biais d’information lors de l’utilisation des mesures subjectives en épidémiologie.

Mesurer l'apport unique de l'adhésion à la culture des gangs de rue à l'explication des conduites délinquantes chez les adolescents et les hommes contrevenants

L’apport disproportionné aux taux de criminalité des membres des gangs de rue est, nul doute, une proposition empirique robuste. De nombreuses études ont conclu que l’association aux gangs de rue est un facteur de risque supplémentaire à celui que constitue déjà la fréquentation de pairs délinquants au nombre des meilleurs prédicteurs de la délinquance avec les antécédents criminels et les traits antisociaux de la personnalité. Pourtant, la contribution spécifique de l’association aux gangs de rue à l’explication de la délinquance est largement méconnue. Au nombre des variables les plus souvent citées pour l’expliquer figure néanmoins le concept de l’adhésion à la culture de gang qui n’a toutefois jamais été spécifiquement opérationnalisé. Le but de la thèse est d’étudier la contribution spécifique de l’adhésion d’un contrevenant à la culture des gangs de rue à l’explication de la délinquance. Plus précisément, elle a comme objectifs de définir la culture des gangs de rue, d’opérationnaliser l’adhésion à la culture des gangs de rue, d’examiner la fidélité de la mesure de l’adhésion à la culture de gang et d’étudier sa relation avec la nature, la variété et la fréquence des conduites délinquantes de contrevenants placés sous la responsabilité des centres jeunesse et des services correctionnels du Québec. Trois articles scientifiques, auxquels un chapitre régulier est joint, ont servi la démonstration de la thèse. D’abord, le premier article présente les démarches relatives au développement de la première Mesure de l’adhésion à la culture de gang, la MACg. Plus précisément, l’article présente la recension des écrits qui a permis de proposer une première définition de la culture de gang et d’opérationnaliser le concept. Il fait aussi état de la démarche de la validation de la pertinence de son contenu et des données préliminaires qui révèlent la très bonne cohérence interne de la MACg. Cette première étude est suivie de la présentation, dans le cadre d’un chapitre régulier, des résultats de l’examen de la cotation des principaux indicateurs de la culture de gang. Cette démarche constitue un complément nécessaire à l’examen de la validité apparente de la MACg. Les résultats révèlent des degrés de concordance très satisfaisants entre les observations de divers professionnels des centres jeunesse et des services correctionnels du Québec qui ont été invités à coter les indicateurs de la culture de gang à partir de deux histoires fictives d’un contrevenant mineur et d’un second d’âge adulte. Puis, le deuxième article présente les résultats d’un premier examen de la fidélité de la MACg à l’aide du modèle de Rasch de la Théorie de la réponse aux items. Ses résultats soutiennent l’unidimensionnalité de la MACg et sa capacité à distinguer des groupes d’items et de personnes le long d’un continuum de gravité d’adhésion à la culture de gang. Par contre, le fonctionnement différentiel et le mauvais ajustement de certains items sont observés, ainsi que l’inadéquation de la structure de réponses aux items (de type Likert) privilégiée lors de l’élaboration de la MACg. Une version réaménagée de cette dernière est donc proposée. Enfin, le troisième et dernier article présente les résultats de l’examen de la relation entre la délinquance et l’adhésion d’un contrevenant à la culture de gang telle que mesurée par la MACg. Les résultats soutiennent l’apport unique de l’adhésion d’un contrevenant à la culture de gang à la diversité et à la fréquence des conduites délinquantes auto-rapportées par des contrevenants placés sous la responsabilité des centres jeunesse et des services correctionnels du Québec. Le score à l’échelle originale et réaménagée de la MACg s’avère, d’ailleurs, un facteur explicatif plus puissant que l’âge, la précocité criminelle, les pairs délinquants et la psychopathie au nombre des meilleurs prédicteurs de la délinquance. L’étude met aussi en lumière l’étroite relation entre une forte adhésion à la culture de gang et la présence marquée de traits psychopathiques annonciatrice de problèmes particulièrement sérieux. Malgré ses limites, la thèse contribuera significativement aux développements des bases d’un nouveau modèle explicatif de l’influence de l’association aux gangs de rue sur les conduites des personnes. La MACg pourra aussi servir à l’évaluation des risques des hommes contrevenants placés sous la responsabilité du système de justice pénale et à l’amélioration de la qualité des interventions qui leur sont dédiées.

A Chloride Ion-Selective Potentiometric Sensor Based on a Polymeric Schiff Base Complex

This paper describes the fabrication of an ion-selective electrode in which a polymeric Schiff base complex of cobalt(II) is used as the ionophore.The main advantage of the electrode is that it is mechanically stable upto 3 months..The electrode shows a linear response in the range of 2.5 × 10-5-0.5 × 10-1 mol dm-3. The response time of the electrode is 30 s.The pH range at which the electrode works is 3.8 to 6.8. The electrode was found to be selective towards chloride ion in the presence of ions like Na+, Ca2+, Mn2+, ,Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, CH3COO-, NO3-, SO42- ,Br- and NO2-.

Role of structural saturation and geometry in the luminescence of silicon-based nanostructured materials

The structural saturation and stability, the energy gap, and the density of states of a series of small, silicon-based clusters have been studied by means of the PM3 and some ab initio (HF/6-31G* and 6-311++G**, CIS/6-31G* and MP2/6-31G*) calculations. It is shown that in order to maintain a stable nanometric and tetrahedral silicon crystallite and remove the gap states, the saturation atom or species such as H, F, Cl, OH, O, or N is necessary, and that both the cluster size and the surface species affect the energetic distribution of the density of states. This research suggests that the visible luminescence in the silicon-based nanostructured material essentially arises from the nanometric and crystalline silicon domains but is affected and protected by the surface species, and we have thus linked most of the proposed mechanisms of luminescence for the porous silicon, e.g., the quantum confinement effect due to the cluster size and the effect of Si-based surface complexes.

Analysis of Fluctuations in the Early Universe Using Fokker-Planck Formalism

The thesis begins with a review of basic elements of general theory of relativity (GTR) which forms the basis for the theoretical interpretation of the observations in cosmology. The first chapter also discusses the standard model in cosmology, namely the Friedmann model, its predictions and problems. We have also made a brief discussion on fractals and inflation of the early universe in the first chapter. In the second chapter we discuss the formulation of a new approach to cosmology namely a stochastic approach. In this model, the dynam ics of the early universe is described by a set of non-deterministic, Langevin type equations and we derive the solutions using the Fokker—Planck formalism. Here we demonstrate how the problems with the standard model, can be eliminated by introducing the idea of stochastic fluctuations in the early universe. Many recent observations indicate that the present universe may be approximated by a many component fluid and we assume that only the total energy density is conserved. This, in turn, leads to energy transfer between different components of the cosmic fluid and fluctuations in such energy transfer can certainly induce fluctuations in the mean to factor in the equation of state p = wp, resulting in a fluctuating expansion rate for the universe. The third chapter discusses the stochastic evolution of the cosmological parameters in the early universe, using the new approach. The penultimate chapter is about the refinements to be made in the present model, by means of a new deterministic model The concluding chapter presents a discussion on other problems with the conventional cosmology, like fractal correlation of galactic distribution. The author attempts an explanation for this problem using the stochastic approach.

Absence of collective effects in Heisenberg systems with localized magnetic moments

Existence of collective effects in magnetic coupling in ionic solids is studied by mapping spin eigenstates of the Heisenberg and exact nonrelativistic Hamiltonians on cluster models representing KNiF3, K2NiF4, NiO, and La2CuO4. Ab initio techniques are used to estimate the Heisenberg constant J. For clusters with two magnetic centers, the values obtained are about the same for models having more magnetic centers. The absence of collective effects in J strongly suggests that magnetic interactions in this kind of ionic solids are genuinely local and entangle only the two magnetic centers involved.

Local character of magnetic coupling in ionic solids

Magnetic interactions in ionic solids are studied using parameter-free methods designed to provide accurate energy differences associated with quantum states defining the Heisenberg constant J. For a series of ionic solids including KNiF3, K2NiF4, KCuF3, K2CuF4, and high- Tc parent compound La2CuO4, the J experimental value is quantitatively reproduced. This result has fundamental implications because J values have been calculated from a finite cluster model whereas experiments refer to infinite solids. The present study permits us to firmly establish that in these wide-gap insulators, J is determined from strongly local electronic interactions involving two magnetic centers only thus providing an ab initio support to commonly used model Hamiltonians.

Electronic structure and magnetic interactions of the spin-chain compounds Ca2CuO3 and Sr2CuO3

The results are presented of a combined periodic and cluster model approach to the electronic structure and magnetic interactions in the spin-chain compounds Ca2CuO3 and Sr2CuO3. An extended t-J model is presented that includes in-chain and interchain hopping and magnetic interaction processes with parameters extracted from ab initio calculations. For both compounds, the in-chain magnetic interaction is found to be around -240 meV, larger than in any of the other cuprates reported in the literature. The interchain magnetic coupling is found to be weakly antiferromagnetic, -1 meV. The effective in-chain hopping parameters are estimated to be ~650 meV for both compounds, whereas the value of the interchain hopping parameter is 30 meV for Sr2CuO3 and 40 meV for Ca2CuO3, in line with the larger interchain distance in the former compound. These effective parameters are shown to be consistent with expressions recently suggested for the Néel temperature and the magnetic moments, and with relations that emerge from the t-J model Hamiltonian. Next, we investigate the physical nature of the band gap. Periodic calculations indicate that an interpretation in terms of a charge-transfer insulator is the most appropriate one, in contrast to the suggestion of a covalent correlated insulator recently reported in the literature.

Ionic-covalent transition in titanium oxides

The nature of the chemical bond in three titanium oxides of different crystal structure and different formal oxidation state has been studied by means of the ab initio cluster-model approach. The covalent and ionic contributions to the bond have been measured from different theoretical techniques. All the analysis is consistent with an increasing of covalence in the TiO, Ti2O3, and TiO2 series as expected from chemical intuition. Moreover, the use of the ab initio cluster-model approach combined with different theoretical techniques has permitted us to quantify the degree of ionic character, showing that while TiO can approximately be described as an ionic compound, TiO2 is better viewed as a rather covalent oxide.

Analyse von Linienbreiten in Photoemissionsspektren zur Bestimmung von d-Lochlebensdauern in Kupfer und Silber

Hochaufgelöste Photoelektronspektroskopie ermöglicht die Untersuchung der Zerfallsdynamik angeregter Lochzustände im Festkörper. Durch Messung der intrinsischen Linienbreiten in den Spektren von Kupfer- und Silbereinkristallen werden die Lebensdauern von tiefliegenden d-Lochzuständen in diesen Edelmetallen bestimmt und mit Vielteilchenrechnungen verglichen. Insbesondere kann gezeigt werden (1) daß sich die d-Lochlebensdauern in Kupfer und Silber trotz unterschiedlicher Lage der d-Bänder ähnlich verhalten (2) daß keine quadratische Abhängigkeit gemäß des einfachen Modell eines freien Elektronengases beobachtet wird und (3) daß die Lochlebensdauern an der d-Bandoberkante von Kupfer und Silber stark zunehmen. Diese experimentellen Befunde legen eine weitgehende Entkopplung der Zerfallsdynamik von d-Löchern und sp-Elektronen nahe. Diese Deutung kann qualitativ durch ab-initio Rechnungen zur Lochlebensdauer bestätigt werden.

{2p_\pi}-{2p_\sigma} crossing in heavy symmetric ion-atom collisions: I. Level structure

Ab initio self-consistent DFS calculations are performed for five different symmetric atomic systems from Ar-Ar to Pb-Pb. The level structure for the {2p_\pi}-{2p_\sigma} crossing as function of the united atomic charge Z_u is studied and interpreted. Manybody effects, spin-orbit splitting, direct relativistic effects as well as indirect relativistic effects are differently important for different Z_u. For the I-I system a comparison with other calculations is given.