Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).

Novel approaches to the synthesis and treatment of cathode materials for lithium-ion batteries

Nous avons mis au point une approche novatrice pour la synthèse d’un matériau de cathode pour les piles lithium-ion basée sur la décomposition thermique de l’urée. Les hydroxydes de métal mixte (NixMnxCo(1-2x)(OH)2) ont été préparés (x = 0.00 à 0.50) et subséquemment utilisés comme précurseurs à la préparation de l’oxyde de métal mixte (LiNixMnxCo(1-2x)O2). Ces matériaux, ainsi que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), sont pressentis comme matériaux de cathode commerciaux pour la prochaine génération de piles lithium-ion. Nous avons également développé un nouveau traitement post-synthèse afin d’améliorer la morphologie des hydroxydes. L’originalité de l’approche basée sur la décomposition thermique de l’urée réside dans l’utilisation inédite des hydroxydes comme précurseurs à la préparation d’oxydes de lithium mixtes par l’intermédiaire d’une technique de précipitation uniforme. De plus, nous proposons de nouvelles techniques de traitement s’adressant aux méthodes de synthèses traditionnelles. Les résultats obtenus par ces deux méthodes sont résumés dans deux articles soumis à des revues scientifiques. Tous les matériaux produits lors de cette recherche ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX), microscope électronique à balayage (MEB), analyse thermique gravimétrique (ATG) et ont été caractérisés électrochimiquement. La performance électrochimique (nombre de cycles vs capacité) des matériaux de cathode a été conduite en mode galvanostatique.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Sels d’imidazolium avec des anions catalytiques : vers le développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides actifs en milieu liquide ionique

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système.

Growth and Characterization of ZnO based Heterojunction diodes and ZnO Nanostructuresby Pulsed Laser Ablation

Transparent conducting oxides (TCO’s) have been known and used for technologically important applications for more than 50 years. The oxide materials such as In2O3, SnO2 and impurity doped SnO2: Sb, SnO2: F and In2O3: Sn (indium tin oxide) were primarily used as TCO’s. Indium based oxides had been widely used as TCO’s for the past few decades. But the current increase in the cost of indium and scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCO’s. Hence the search for alternative TCO material has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of various binary and ternary compounds. But the advantages of using binary oxides are the easiness to control the composition and deposition parameters. ZnO has been identified as the one of the promising candidate for transparent electronic applications owing to its exciting optoelectronic properties. Some optoelectronics applications of ZnO overlap with that of GaN, another wide band gap semiconductor which is widely used for the production of green, blue-violet and white light emitting devices. However ZnO has some advantages over GaN among which are the availability of fairly high quality ZnO bulk single crystals and large excitonic binding energy. ZnO also has much simpler crystal-growth technology, resulting in a potentially lower cost for ZnO based devices. Most of the TCO’s are n-type semiconductors and are utilized as transparent electrodes in variety of commercial applications such as photovoltaics, electrochromic windows, flat panel displays. TCO’s provide a great potential for realizing diverse range of active functions, novel functions can be integrated into the materials according to the requirement. However the application of TCO’s has been restricted to transparent electrodes, ii notwithstanding the fact that TCO’s are n-type semiconductors. The basic reason is the lack of p-type TCO, many of the active functions in semiconductor originate from the nature of pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al reported the CuAlO2 as the first p-type TCO along with the chemical design concept for the exploration of other p-type TCO’s. This has led to the fabrication of all transparent diode and transistors. Fabrication of nanostructures of TCO has been a focus of an ever-increasing number of researchers world wide, mainly due to their unique optical and electronic properties which makes them ideal for a wide spectrum of applications ranging from flexible displays, quantum well lasers to in vivo biological imaging and therapeutic agents. ZnO is a highly multifunctional material system with highly promising application potential for UV light emitting diodes, diode lasers, sensors, etc. ZnO nanocrystals and nanorods doped with transition metal impurities have also attracted great interest, recently, for their spin-electronic applications This thesis summarizes the results on the growth and characterization of ZnO based diodes and nanostructures by pulsed laser ablation. Various ZnO based heterojunction diodes have been fabricated using pulsed laser deposition (PLD) and their electrical characteristics were interpreted using existing models. Pulsed laser ablation has been employed to fabricate ZnO quantum dots, ZnO nanorods and ZnMgO/ZnO multiple quantum well structures with the aim of studying the luminescent properties.

Studies on Thermoplastic Elastomer Based on Linear Low-Density Polyethylene and Latex Product Waste Modified with Thiocarbanilide

Latex waste like glove waste was effectively modified using a new reclaiming agent, thiocarbanilide. This modified waste was blended with linear low-density polyethylene (LLDPE) to develop a novel thermoplastic elastomer. Both uncrosslinked and dynamically crosslinked blends were prepared and their properties were studied. The results were found to be comparable to those of conventional thermoplastic elastomers.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing x-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices

Sol-Gel Mesoporous Silica Aerogels and Bio Hybrids for Functional Applications

The thesis covers a systematic investigation on the synthesis of silica aerogels and microspheres with tailored porosity, at ambient conditions by varying the experimental parameters as well as using organic templates. Organically modified silica-gelatin and silica-chitosan hybrids were developed for the first time using alkylalkoxysilanes such as MTMS and VTMS. Application of novel silica-biopolymer antiwetting coatings on different substrates such as glass, leather and textile is also demonstrated in the thesis.

Comparative Performance of Two Fiber Optic Ammonia Sensors Employing Different Sensing Materials

The design and fabrication of fiber based ammonia sensors employing Bromothymol blue and Chitosan as sensing elements are presented in this paper. In the presence of ammonia gas the absorption of Bromothymol blue changes while in the case of Chitosan the refractive index changes which in turn modulates the intensity of light propagating through a fiber.

Laser Induced Photothermal Investigations on Thermal and Transport Properties of Certain Selected Photonic Materials

Discovery of coherent optical sources four decades ago has revolutionized all fields of scientific development. One of the path breaking applications of lasers is the emergence of various thermo optic techniques to unravel some of the mysteries of light matter interactions.Thermo optic technique is a valuable tool to evaluate optical and thermal properties of materials in solid,liquid and gaseous states .This technique can also be employed effectively in nondestructive quality evaluation. In this doctoral thesis , the use of photothermal techniques based on photoacoustic and photothermal deflection phenomena for the study of certain class of photonics materials such as semiconductors, nano metal dispersed ceramics, composites of conducting polymers and liquid crystals is elaborated.

Investigations of Nonlinear Optical Properties of certain organic photonic materials using Z-Scan and DFWM techniques

Nonlinear optical processes in organic compounds have attracted considerable interest in the field of science and technology because of their compelling technological promises in fields of optical communication,computing,switching and signal processing.As a result of the synthesis of novel organic compounds with varying degree of nonlinear optical strength, many practical devices based on these are getting realised giving new theoretical insights into the nonolinear optical behaviour of materials.Organic compounds like phthalocyanines and porphyrins have evoked great deal of interest in the field of photonic technology.The present thesis describes the results obtained from the investigations carried out on the nonlinear optical properties of certain organo-metallic compounds using Z-Scan and DFWM techniques.

Characterization of Photonic Materials Using Thermal Lens Technique

The subject of Photonics is concerned with the generation,control and utilization of photons for performing a variety of tasks.It came to existence as a consequence of the harmonious fusion of optical methods with electronic technology.Wide spread use of laser based methods in electronics is slowly replacing elecrtons with photons in the field of Communication,Control and Computing .Therefore,there is a need to promote the R & D activities in the area of Photonics and to generate well trained manpower in laser related fields.Development and characterization of photonic materials is an important subject of research in the field of Photonics.Optical and thermal characterization of photonic materials using thermal lens technique is a PhD thesis in the field of Photonics in which the author describes how thermal lens effect can be used to characterize themal and optical properties of photonic materials.Plausibility of thermal lens based logic gates is also presented in this thesis.

Investigations on The Finite Size Effects of Some Inverse Spinels and Studies on Their Composites Based on Nitrile Rubber

Magnetism and magnetic materials have been an ever-attractive subject area for engineers and scientists alike because of its versatility in finding applications in useful devices. They find applications in a host of devices ranging from rudimentary devices like loud speakers to sophisticated gadgets like waveguides and Magnetic Random Access Memories (MRAM).The one and only material in the realm of magnetism that has been at the centre stage of applications is ferrites and in that spinel ferrites received the lions share as far as practical applications are concerned.It has been the endeavour of scientists and engineers to remove obsolescence and improve upon the existing so as to save energy and integrate in to various other systems. This has been the hallmark of material scientists and this has led to new materials and new technologies.In the field of ferrites too there has been considerable interest to devise new materials based on iron oxides and other compounds. This means synthesising ultra fine particles and tuning its properties to device new materials. There are various preparation techniques ranging from top- down to bottom-up approaches. This includes synthesising at molecular level, self assembling,gas based condensation. Iow temperature eo-precipitation, solgel process and high energy ball milling. Among these methods sol-gel process allows good control of the properties of ceramic materials. The advantage of this method includes processing at low temperature. mixing at the molecular level and fabrication of novel materials for various devices.Composites are materials. which combine the good qualities of one or more components. They can be prepared in situ or by mechanical means by the incorporation of fine particles in appropriate matrixes. The size of the magnetic powders as well as the nature of matrix affect the processability and other physical properties of the final product. These plastic/rubber magnets can in turn be useful for various applications in different devices. In applications involving ferrites at high frequencies, it is essential that the material possesses an appropriate dielectric permittivity and suitable magnetic permeability. This can be achieved by synthesizing rubber ferrite composites (RFC's). RFCs are very useful materials for microwave absorptions. Hence the synthesis of ferrites in the nanoregirne.investigations on their size effects on the structural, magnetic, and electrical properties and the incorporation of these ferrites into polymer matrixes assume significance.In the present study, nano particles of NiFe204, Li(!5Fe2S04 and Col-e-O, are prepared by sol gel method. By appropriate heat treatments, particles of different grain sizes are obtained. The structural, magnetic and electrical measurements are evaluated as a function of grain size and temperature. NiFel04 prepared in the ultrafine regime are then incorporated in nitrile rubber matrix. The incorporation was carried out according to a specific recipe and for various loadings of magnetic fillers. The cure characteristics, magnetic properties, electrical properties and mechanical properties of these elastomer blends are carried out. The electrical permittivity of all the rubber samples in the X - band are also conducted.

Photothermal and photoacoustic investigations on certain polymers and semi conducting materials

Material synthesizing and characterization has been one of the major areas of scientific research for the past few decades. Various techniques have been suggested for the preparation and characterization of thin films and bulk samples according to the industrial and scientific applications. Material characterization implies the determination of the electrical, magnetic, optical or thermal properties of the material under study. Though it is possible to study all these properties of a material, we concentrate on the thermal and optical properties of certain polymers. The thermal properties are detennined using photothermal beam deflection technique and the optical properties are obtained from various spectroscopic analyses. In addition, thermal properties of a class of semiconducting compounds, copper delafossites, arc determined by photoacoustic technique.Photothermal technique is one of the most powerful tools for non-destructive characterization of materials. This forms a broad class of technique, which includes laser calorimetry, pyroelectric technique, photoacollstics, photothermal radiometric technique, photothermal beam deflection technique etc. However, the choice of a suitable technique depends upon the nature of sample and its environment, purpose of measurement, nature of light source used etc. The polynler samples under the present investigation are thermally thin and optically transparent at the excitation (pump beam) wavelength. Photothermal beam deflection technique is advantageous in that it can be used for the detennination of thermal diffusivity of samples irrespective of them being thermally thick or thennally thin and optically opaque or optically transparent. Hence of all the abovementioned techniques, photothemlal beam deflection technique is employed for the successful determination of thermal diffusivity of these polymer samples. However, the semi conducting samples studied are themlally thick and optically opaque and therefore, a much simpler photoacoustic technique is used for the thermal characterization.The production of polymer thin film samples has gained considerable attention for the past few years. Different techniques like plasma polymerization, electron bombardment, ultra violet irradiation and thermal evaporation can be used for the preparation of polymer thin films from their respective monomers. Among these, plasma polymerization or glow discharge polymerization has been widely lIsed for polymer thin fi Im preparation. At the earlier stages of the discovery, the plasma polymerization technique was not treated as a standard method for preparation of polymers. This method gained importance only when they were used to make special coatings on metals and began to be recognized as a technique for synthesizing polymers. Thc well-recognized concept of conventional polymerization is based on molecular processcs by which thc size of the molecule increases and rearrangemcnt of atoms within a molecule seldom occurs. However, polymer formation in plasma is recognized as an atomic process in contrast to the above molecular process. These films are pinhole free, highly branched and cross linked, heat resistant, exceptionally dielectric etc. The optical properties like the direct and indirect bandgaps, refractive indices etc of certain plasma polymerized thin films prepared are determined from the UV -VIS-NIR absorption and transmission spectra. The possible linkage in the formation of the polymers is suggested by comparing the FTIR spectra of the monomer and the polymer. The thermal diffusivity has been measured using the photothermal beam deflection technique as stated earlier. This technique measures the refractive index gradient established in the sample surface and in the adjacent coupling medium, by passing another optical beam (probe beam) through this region and hence the name probe beam deflection. The deflection is detected using a position sensitive detector and its output is fed to a lock-in-amplifIer from which the amplitude and phase of the deflection can be directly obtained. The amplitude and phase of the deflection signal is suitably analyzed for determining the thermal diffusivity.Another class of compounds under the present investigation is copper delafossites. These samples in the form of pellets are thermally thick and optically opaque. Thermal diffusivity of such semiconductors is investigated using the photoacoustic technique, which measures the pressure change using an elcctret microphone. The output of the microphone is fed to a lock-in-amplificr to obtain the amplitude and phase from which the thermal properties are obtained. The variation in thermal diffusivity with composition is studied.