Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude de l'influence de la réassociation en surface des atomes N et O sur l'inactivation des spores bactériennes dans une post-décharge N2-O2 basse pression en flux

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là.

Effect of Polymer Architecture on the Structural and Biophysical Properties of PEG-PLA Nanoparticles

Polymers made of poly(ethylene glycol) chains grafted to poly(lactic acid) chains (PEG-g-PLA) were used to produce stealth drug nanocarriers. A library of comb-like PEG-g-PLA polymers with different PEG grafting densities was prepared in order to obtain nanocarriers with dense PEG brushes at their surface, stability in suspension, and resistance to protein adsorption. The structural properties of nanoparticles (NPs) produced from these polymers by a surfactant-free method were assessed by DLS, zeta potential, and TEM and were found to be controlled by the amount of PEG present in the polymers. A critical transition from a solid NP structure to a soft particle with either a “micelle-like” or “polymer nano-aggregate” structure was observed when the PEG content was between 15 to 25% w/w. This structural transition was found to have a profound impact on the size of the NPs, their surface charge, their stability in suspension in presence of salts as well as on the binding of proteins to the surface of the NPs. The arrangement of the PEG-g-PLA chains at the surface of the NPs was investigated by 1H NMR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). NMR results confirmed that the PEG chains were mostly segregated at the NP surface. Moreover, XPS and quantitative NMR allowed quantifying the PEG chain coverage density at the surface of the solid NPs. Concordance of the results between the two methods was found to be remarkable. Physical-chemical properties of the NPs such as resistance to aggregation in saline environment as well as anti-fouling efficacy were related to the PEG surface density and ultimately to polymer architecture. Resistance to protein adsorption was assessed by isothermal titration calorimetry (ITC) using lysozyme. The results indicate a correlation between PEG surface coverage and level of protein interactions. The results obtained lead us to propose such PEG-g-PLA polymers for nanomedecine development as an alternative to the predominant polyester-PEG diblock polymers.

The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.

A Coupled 2 × 2D Babcock–Leighton Solar Dynamo Model. I. Surface Magnetic Flux Evolution

The need for reliable predictions of the solar activity cycle motivates the development of dynamo models incorporating a representation of surface processes sufficiently detailed to allow assimilation of magnetographic data. In this series of papers we present one such dynamo model, and document its behavior and properties. This first paper focuses on one of the model's key components, namely surface magnetic flux evolution. Using a genetic algorithm, we obtain best-fit parameters of the transport model by least-squares minimization of the differences between the associated synthetic synoptic magnetogram and real magnetographic data for activity cycle 21. Our fitting procedure also returns Monte Carlo-like error estimates. We show that the range of acceptable surface meridional flow profiles is in good agreement with Doppler measurements, even though the latter are not used in the fitting process. Using a synthetic database of bipolar magnetic region (BMR) emergences reproducing the statistical properties of observed emergences, we also ascertain the sensitivity of global cycle properties, such as the strength of the dipole moment and timing of polarity reversal, to distinct realizations of BMR emergence, and on this basis argue that this stochasticity represents a primary source of uncertainty for predicting solar cycle characteristics.

Mechanical Properties of Short-Isora-Fiber-Reinforced Natural Rubber Composites: Effects of Fiber Length, Orientation, and Loading; Alkali Treatment;and Bonding Agent

A series of short-isora-fiber-reinforced natural rubber composites were prepared by the incorporation of fibers of different lengths (6, 10, and 14 mm) at 15 phr loading and at different concentrations (10, 20, 30, and 40 phr) with a 10 mm fiber length. Mixes were also prepared with 10 mm long fibers treated with a 5% NaOH solution. The vulcanization parameters, processability, and stress-strain properties of these composites were analyzed. Properties such as tensile strength, tear strength, and tensile modulus were found to be at maximum for composites containing longitudinally oriented fibers 10 mm in length. Mixes containing fiber loadings of 30 phr with bonding agent (resorcinol-formaldehyde [RF] resin) showed mechanical properties superior to all other composites. Scanning electron microscopy (SEM) studies were carried out to investigate the fiber surface morphology, fiber pullout, and fiber-rubber interface. SEM studies showed that the bonding between the fiber and rubber was improved with treated fibers and with the use of bonding agent.

Laser induced surface damage, thermal transport and microhardness studies on certain organic and semiorganic nonlinear optical crystals

N-alkyl-2,6-dimethyl-4(1H)-pyridinones, salts of 4-dimethylaminopyridine and 2-amino-5-nitropyridine are considered to be potential candidates for nonlinear optical (NLO) applications, in particular for the generation of blue-green laser radiation. Single crystals were grown following the slow evaporation technique at constant temperature. Single-shot laserinduced surface damage thresholds in the range 3–10 GW/cm2 were measured using a 18 ns Q-switched Nd:YAG laser. The surface morphologies of the damaged crystals were examined under an optical microscope and the nature of damage identified. The Vicker’s microhardness was determined at a load of 98.07 mN. The thermal transport properties, thermal diffusivity (α), thermal effusivity (e), thermal conductivity (K) and heat capacity (Cp), of the grown crystals were measured by an improved photopyroelectric technique at room temperature. All the results are presented and discussed.

Acidity/basicity, electron donor properties and catalytic activity of sulphate modified stannic oxide

The surface electron donor properties of sulphate modified stannic oxide have been determined from the adsorption of electron acceptors of various electron affinities on the oxide surface. The acid base properties of stannic oxide have been determined by titration method using Hammett indicators. Catalytic activities of the oxide for esterification of acetic acid using n-butanol.reduction of cyclohexanone in 2-propanol and oxidation of cyclohexanol with benzophenone have been studied. The data have been correlated with the surface electron donor properties of these oxides. The activity for reduction and oxidation decreases and that for esterification reaction increases on modification with sulphate ion. It has heen found that electron donating capacity decreased when stannic oxide was modified with sulphate ion.

Acidity / basicity and electron donor properties and catalytic activity of sulphated titania

The surface acidity/ basicity of TiO2 (rutile) and its sulphate modified form have been determined by titration method using Hammett indicators after activation at different temperatures. The electron donating properties of these oxides are also studied from the adsorption of electron acceptors of different electron affinity values. The data have been correlated with the catalytic activity of these oxides towards esterification of acetic acid using n-butanol, reduction of cyclohexanone in isopropanol and oxidation of cyclohexanol in benzophenone. Catalytic activity for esterification and oxidation reaction parallels the acidity while that for reduction reaction parallels the basicity of these oxides.

Acidity/basicity, electron donor properties and catalytic activity of sulphate modified ceria

The changes in surface acidity/basicity and catalytic activity of cerium oxide due to surface modification by sulphate ion have been investigated. Electron donor properties of both the modified and unmodified oxides have been studied using electron acceptors of various electron affinity values, viz. 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, 2,3,5,6-tetrachloro--l, 4-benzoquinone. p-dinitrobenzene and m-dinitrobenzene in order to find out whether the increase in acidity on suphation is due to the generation of new acidic sites or they are formed at the expense of some of the basic sites. The surface acidity/basicity has been determined using a set of Hammett indicators. The data have been correlated with the catalytic activity of the oxides for esterification of acetic acid using l-butanol, reduction of cyclohexanone with 2- propanol and oxidation of cyclohexanol using benzophenone.

Surface acidity and catalytic activity of mixed Fe-Al and Cr-Al pillared montmorillonites

The incorporation of transition metal oxide pillars such as those of iron and chromium along with Al2O3, pillars within the interlayers of a montmorillonite clay is investigated. The surface acidity of these catalysts has been evaluated for the first time employing the equilibrium adsorption of an electron donor, perylene, and the results are compared with those obtained by temperature programmed desorption of ammonia. The principle is based on the ability of a catalyst surface site to accept a single electron from an electron donor like perylene to form charge transfer complexes and the amount of adsorbed species is measured quantitatively by UV-vis spectroscopy. Fina1ly, an attempt has been made to correlate the acidity determined by the two independcnt methods and the catalytic activity of present systems in the benzoylation of toluene with benzoyl chloride. Incorporation of Fe and Cr has changed the properties of AI pitlared montmorillonite. Fe pillared systems have been found to be vcry good catalysts for benzoylation reaction

Electron donating properties and catalytic actiVity of cerium oxide and its mixed oxides with alumina

The electron donating properties of Ce02 and its mixed oxides with alumina have been determined from the studies of adsorption of electron acceptors of various electron affinities on the surface of these oxides. The catalytic activity of these oxides towards some reactions such as oxidation of alcohols and reduction of ketones have been Correlated with their surface electrondonor properties. The surface acidity/basicity of these oxides have also been determined by titration method using a set of Hammett indicators.

Basicity and electron donor properties of lanthanum oxide and its mixed oxides with alumina

The electron donating properties of La2O3 activated at 300, 500 and 800·C and its mixed oxides with alumina are reported from the studies on adsorption of electron acceptors of varying electron affinity on La203. The electron acceptors with their electron affinity values given in parenthesis are: 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (2.84 eV), 2,3,5,6-tetrachloro-I,4-benzoquinone (2.40 eV) and p-dinitrobenzene(l.77eV). The basicity of the oxide has been determined by titration with n-butylamine and Ho.max values are reported. The limit of electron transfer from the oxide to the electron acceptor is between 2.40 and 1.77 eV. It is observed that La203 promotes the surface electron properties of alumina without changing its limit of electron transfer.

Influence of sulphate content on the physico-chemical properties and catalytic activity of some sulphated zirconia systems

The present work attempts a systematic examination of the effect of sulphate content on the physico-chemical properties and catalytic activity of sulphated zirconia and iron promoted sulphated zirconia systems. Sulphate content is estimated by EDX analysis. The amount of sulphate incorporated has been found to influence the surface area, crystal structure and the acid strength distribution. Ammonia TPD and adsorption studies using perylene have enabled the determination of surface acidic properties. The results are supported by the thermodesorption studies using pyridine and 2,6-dimethylpyridine. The catalytic activity towards benzoylation reaction has been correlated with the surface acidity of the systems.