Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.

Investigation expérimentale du décollement dans l’aspirateur d’une turbine bulbe

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence.

Phase Transitions in Engineered Ultracold Quantum Systems

The study of quantum degenerate gases has many applications in topics such as condensed matter dynamics, precision measurements and quantum phase transitions. We built an apparatus to create 87Rb Bose-Einstein condensates (BECs) and generated, via optical and magnetic interactions, novel quantum systems in which we studied the contained phase transitions. For our first experiment we quenched multi-spin component BECs from a miscible to dynamically unstable immiscible state. The transition rapidly drives any spin fluctuations with a coherent growth process driving the formation of numerous spin polarized domains. At much longer times these domains coarsen as the system approaches equilibrium. For our second experiment we explored the magnetic phases present in a spin-1 spin-orbit coupled BEC and the contained quantum phase transitions. We observed ferromagnetic and unpolarized phases which are stabilized by the spin-orbit coupling’s explicit locking between spin and motion. These two phases are separated by a critical curve containing both first-order and second-order transitions joined at a critical point. The narrow first-order transition gives rise to long-lived metastable states. For our third experiment we prepared independent BECs in a double-well potential, with an artificial magnetic field between the BECs. We transitioned to a single BEC by lowering the barrier while expanding the region of artificial field to cover the resulting single BEC. We compared the vortex distribution nucleated via conventional dynamics to those produced by our procedure, showing our dynamical process populates vortices much more rapidly and in larger number than conventional nucleation.

Detached eddy simulation of unsteady turbulent flows in the draft tube of a bulb turbine

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l’aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d’opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l’efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l’entrée de l’aspirateur ont été explorés à l’aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d’énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l’écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales.

Position-dependent spin-orbit coupling for ultracold atoms

We theoretically explore atomic Bose-Einstein condensates (BECs) subject to position-dependent spin-orbit coupling (SOC). This SOC can be produced by cyclically laser coupling four internal atomic ground (or metastable) states in an environment where the detuning from resonance depends on position. The resulting spin-orbit coupled BEC (SOBEC) phase separates into domains, each of which contain density modulations-stripes-aligned either along the x or y direction. In each domain, the stripe orientation is determined by the sign of the local detuning. When these stripes have mismatched spatial periods along domain boundaries, non-trivial topological spin textures form at the interface, including skyrmions-like spin vortices and anti-vortices. In contrast to vortices present in conventional rotating BECs, these spin-vortices are stable topological defects that are not present in the corresponding homogenous stripe-phase SOBECs.

Simulations of droplet dispersion in the wakes of cylinders and icing tunnel spray bars

Simulations of droplet dispersion behind cylinder wakes and downstream of icing tunnel spray bars were conducted. In both cases, a range of droplet sizes were investigated numerically with a Lagrangian particle trajectory approach while the turbulent air flow was investigated with a hybrid Reynolds-Averaged Navier-Stokes/Large-Eddy Simulations approach scheme. In the first study, droplets were injected downstream of a cylinder at sub-critical conditions (i.e. with laminar boundary layer separation). A stochastic continuous random walk (CRW) turbulence model was used to capture the effects of sub-grid turbulence. Small inertia droplets (characterized by small Stokes numbers) were affected by both the large-scale and small-scale vortex structures and closely followed the air flow, while exhibiting a dispersion consistent with that of a scalar flow field. Droplets with intermediate Stokes numbers were centrifuged by the vortices to the outer edges of the wake, yielding an increased dispersion. Large Stokes number droplets were found to be less responsive to the vortex structures and exhibited the least dispersion. Particle concentration was also correlated with vorticity distribution which yielded preferential bias effects as a function of different particle sizes. This trend was qualitatively similar to results seen in homogenous isotropic turbulence, though the influence of particle inertia was less pronounced for the cylinder wake case. A similar study was completed for droplet dispersion within the Icing Research Tunnel (IRT) at the NASA Glenn Research Center, where it is important to obtain a nearly uniform liquid water content (LWC) distribution in the test section (to recreate atmospheric icing conditions).. For this goal, droplets are diffused by the mean and turbulent flow generated from the nozzle air jets, from the upstream spray bars, and from the vertical strut wakes. To understand the influence of these three components, a set of simulations was conducted with a sequential inclusion of these components. Firstly, a jet in an otherwise quiescent airflow was simulated to capture the impact of the air jet on flow turbulence and droplet distribution, and the predictions compared well with experimental results. The effects of the spray bar wake and vertical strut wake were then included with two more simulation conditions, for which it was found that the air jets were the primary driving force for droplet dispersion, i.e. that the spray bar and vertical strut wake effects were secondary.

Superconducting Transition-Edge Sensor Physics

Despite record-setting performance demonstrated by superconducting Transition Edge Sensors (TESs) and growing utilization of the technology, a theoretical model of the physics governing TES devices superconducting phase transition has proven elusive. Earlier attempts to describe TESs assumed them to be uniform superconductors. Sadleir et al. 2010 shows that TESs are weak links and that the superconducting order parameter strength has significant spatial variation. Measurements are presented of the temperature T and magnetic field B dependence of the critical current Ic measured over 7 orders of magnitude on square Mo/Au bilayers ranging in length from 8 to 290 microns. We find our measurements have a natural explanation in terms of a spatially varying order parameter that is enhanced in proximity to the higher transition temperature superconducting leads (the longitudinal proximity effect) and suppressed in proximity to the added normal metal structures (the lateral inverse proximity effect). These in-plane proximity effects and scaling relations are observed over unprecedentedly long lengths (in excess of 1000 times the mean free path) and explained in terms of a Ginzburg-Landau model. Our low temperature Ic(B) measurements are found to agree with a general derivation of a superconducting strip with an edge or geometric barrier to vortex entry and we also derive two conditions that lead to Ic rectification. At high temperatures the Ic(B) exhibits distinct Josephson effect behavior over long length scales and following functional dependences not previously reported. We also investigate how film stress changes the transition, explain some transition features in terms of a nonequilibrium superconductivity effect, and show that our measurements of the resistive transition are not consistent with a percolating resistor network model.

Three dimensional numerical simulation of thermohaline currents of the Persian Gulf

Observational data and a three dimensional numerical model (POM) are used to investigate the Persian Gulf outflow structure and its spreading pathway into the Oman Sea. The model is based on orthogonal curvilinear coordinate system in horizontal and train following coordinate (sigma coordinate) system in vertical. In the simulation, the horizontal diffusivity coefficients are calculated form Smogorinsky diffusivity formula and the eddy vertical diffusivities are obtained from a second turbulence closure model (namely Mellor-Yamada level 2.5 model of turbulence). The modeling area includes the east of the Persian Gulf, the Oman Sea and a part of the north-east of the Indian Ocean. In the model, the horizontal grid spacing was assumed to be about 3.5 km and the number of vertical levels was set to 32. The simulations show that the mean salinity of the PG outflow does not change substantially during the year and is about 39 psu, while its temperature exhibits seasonal variations. These lead to variations in outflow density in a way that is has its maximum density in late winter (March) and its minimum in mid-summer (August). At the entrance to the Oman Sea, the PG outflow turns to the right due to Coriolis Effect and falls down on the continental slope until it gains its equilibrium depth. The highest density of the outflow during March causes it to sink more into the deeper depths in contrast to that of August which the density is the lowest one. Hence, the neutral buoyancy depths of the outflow are about 500 m and 250 m for March and August respectively. Then, the outflow spreads in its equilibrium depths in the Oman Sea in vicinity of western and southern boundaries until it approach the Ras al Hamra Cape where the water depth suddenly begins to increase. Therefore, during March, the outflow that is deeper and wider relative to August, is more affected by the steep slope topography and as a result of vortex stretching mechanism and conservation of potential vorticity it separates from the lateral boundaries and finally forms an anti-cyclonic eddy in the Oman Sea. But during August the outflow moves as before in vicinity of lateral boundaries. In addition, the interaction of the PG outflow with tide in the Strait of Hormuz leads to intermittency in outflow movement into the Oman Sea and it could be the major reason for generations of Peddy (Peddies) in the Oman Sea.

Avaliação da técnica de dispersão da matriz em fase sólida assistida por vórtex para análise de fármacos em peixes

Os fármacos classificados como contaminantes orgânicos emergentes tornaramse tópico de discussão ambiental pois estes são capazes de atingir diferentes matrizes do meio ambiente, como água, solo e organismos aquáticos, e estudos demonstrando a toxicidade tem despertado o interesse científico. Neste estudo um método analítico foi otimizado e validado para determinação de quinze fármacos em amostras de peixes empregando preparo de amostras por dispersão da matriz em fase sólida (MSPD) assistida por vórtex e determinação por cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massas sequencial (LC-MS/MS). O estudo ainda focou na aplicação de diferentes suportes sólidos na etapa de dispersão da MSPD, sendo que três (quitina, quitosana e concha de mexilhão dourado) foram utilizados pela primeira vez para esta finalidade, O método otimizado foi validado seguindo os parâmetros do INMETRO, ANVISA, SANCO e FDA. A curva analítica e linearidade foram avaliados através da calibração externa e superposição na matriz. Os compostos demonstraram linearidade dentro da faixa recomendada, com coeficiente de correlação maior do que 0,99. Os limites de detecção do método variaram de 1 a 100 ng g -1 , e os limites de quantificação a variaram de 5 a 1000 ng g -1 . Os valores de recuperação variaram de 68% a 108%, com RSD menores que 13% para todos os compostos. O efeito de matriz foi avaliado e quatro dos quinze compostos apresentaram efeito maior que ±20%. Na aplicabilidade o método demonstrou ser eficiente para extração de fármacos de diferentes espécies de peixe, apresentando exatidão e precisão adequados. Não foram encontrados resíduos de fármacos nas amostras analisadas.

The interaction between two oppositely travelling, horizontally offset, antisymmetric quasi-geostrophic hetons

We investigate numerically the nonlinear interactions between hetons. Hetons are baroclinic structures consisting of two vortices of opposite sign lying at different depths. Hetons are long-lived. They most often translate (they can sometimes rotate) and therefore they can noticeably contribute to the transport of scalar properties in the oceans. Heton interactions can interrupt this translation and thus this transport, by inducing a reconfiguration of interacting hetons into more complex baroclinic multipoles. More specifically, we study here the general case of two hetons, which collide with an offset between their translation axes. For this purpose, we use the point vortex theory, the ellipsoidal vortex model and direct simulations in the three-dimensional quasi-geostrophic contour surgery model. More specifically, this paper shows that there are in general three regimes for the interaction. For small horizontal offsets between the hetons, their vortices recombine as same-depth dipoles which escape at an angle. The angle depends in particular on the horizontal offset. It is a right angle for no offset, and the angle is shallower for small but finite offsets. The second limiting regime is for large horizontal offsets where the two hetons remain the same hetonic structures but are deflected by the weaker mutual interaction. Finally, the intermediate regime is for moderate offsets. This is the regime where the formation of a metastable quadrupole is possible. The formation of this quadrupole greatly restrains transport. Indeed, it constrains the vortices to reside in a closed area. It is shown that the formation of such structures is enhanced by the quasi-periodic deformation of the vortices. Indeed, these structures are nearly unobtainable for singular vortices (point vortices) but may be obtained using deformable, finite-core vortices.

Étude de quelques populations structurées : processus de coalescence et abondance d’une stratégie

Le fichiers qui accompagnent mon document ont été réalisés avec le logiciel Mathematica

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Automatização de um dinamômetro hidráulico para ensaios de motores de combustão interna

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.