Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le cadre d'un projet sur la mesure du potentiel électrocinétique en régime dynamique, un montage a été conçu afin d'étudier ce phénomène. L'objectif global de ce projet consistait à concevoir un système qui permettrait la pulsation du fluide à travers un échantillon à très haute fréquence et la mesure de la différence de potentiel et de la différence de pression générée. Ce mémoire présente donc la conception, la fabrication et la caractérisation des différents systèmes servant à l'étude de ce phénomène. Dans un premier temps, une explication plus exhaustive du phénomène électrocinétique est présentée afin de bien comprendre les paramètres qui sont en jeu. Dans un second temps, une revue de littérature portant sur les différents systèmes conçus antérieurement est décrite, et ce, dans le but de les étudier afin d'en retirer un maximum d'informations pouvant être intéressantes pour la réalisation des nouveaux montages. Ensuite, une étude sur différents concepts de solution a été réalisée dans le but de déterminer la topologie à adopter pour la conception d'un premier montage. Des essais expérimentaux ont permis de mesurer la réponse en fréquence pour des échantillons non consolidés et de valider les choix technologiques pour l'étude en régime dynamique dont : le système de pulsation, les composantes électroniques et l'instrumentation. Finalement, un second concept à échantillon consolidé est présenté ainsi que des essais expérimentaux. Les essais ont permis de démontrer l'étendue de fréquence pouvant être atteinte ainsi que les limites d'une solution à pot vibrant.

La nanofluidique est l’étude du transport de molécules au travers de nanostructures filtrantes dont la taille avoisine l'épaisseur de la double-couche diffuse à la surface du verre. A cette échelle de la centaine de nanomètres, la charge de surface qui induit une exclusion des ions négatifs à l'extérieur du "nanofiltre" produit un effet de rétention des biomolécules. Des études menées sur le transport électrocinétique au sein d’un nanocanal unique ont permis de montrer qu’il était théoriquement possible de concentrer des solutions, même fortement diluées, avec des taux élevés (jusqu’à 103) grâce à un effet de concentration de polarisation. Ce phénomène pourrait être exploité dans de nombreuses applications de diagnostic médical (analyses rapides et précoces d’échantillons bruts), de contrôle qualité (agroalimentaire) ou encore de défense (suivi continu de zones à risques pour la menace terroriste biologique).La modélisation de la dynamique des phénomènes d’électropréconcentration (sous champ électrique) et de rétention (sous gradient de pression) d’un nanocanal unique s’avère extrêmement ardue. Une multitude d’observations, souvent contradictoires quant au profil de préconcentration obtenu, ont été par ailleurs rapportées dans la littérature, avec des points focaux de préconcentration observés parfois du côté anodique ou du coté cathodique pour une même protéine. Certaines expériences observent ces points focaux soit très loin en amont dans le microcanal réservoir soit directement à proximité de l’entrée du nanocanal. C’est dans ce contexte qu’a été développé précédemment un modèle unidimensionnel permettant de prédire le profil de concentration de l’analyte en tout point de la structure MNM(Micro/Nano/Microcanal) proposée. Ce travail de modélisation a démontré l’existence de quatre régimes distincts: deux régimes coté anodique et deux régimes coté cathodique, plus ou moins éloignés du nanocanal. Ce modèle a mis en avant la sélectivité de ce processus vis-à-vis de la mobilité électrophorétique et de la valence des analytes préconcentrés, et il a permis d’appréhender un peu mieux la diversité des expériences rapportées. Cependant, le régime de préconcentration obtenu dépend du bioanalyte étudié. Il serait pourtant intéressant de ne plus être tributaire des caractéristiques intrinsèques de la solution analysée et de ne plus subir le régime obtenu mais, au contraire, d’effectuer ce que l’on pourrait appeler une électropréconcentration sélective du dit analyte. Ceci pourrait permettre d’effectuer deux étapes primordiales de tout diagnostic que sont la séparation et la préconcentration d’un mélange. Pour se faire, nous avons introduit un paramètre expérimental, une composante hydrodynamique (ou surpression), en sus du champ électrique, pour moduler la localisation de la préconcentration.A l’aide d’une technologie "tout verre" récemment brevetée, nous élaborons aujourd’hui des puces intégrant une nanofente dans un long microcanal. Ces puces sont parfaitement isolantes, biocompatibles et présentent une tenue exceptionnelle au cours du temps. Elles sont combinées à un banc expérimental "fait maison" complètement automatisé (interfacé avec Matlab), qui permet de contrôler les différents paramètres imposés. Les données recueillies sont ensuite prétraitées par d’autres codes Matlab que nous avons développés. Grâce à ces divers outils, de nombreuses expériences d’électropréconcentration "classique" (champ électrique seul) et assistée en pression ont été réalisées pour deux bioanalytes modèles : la fluorescéine et la BSA (Bovin Serum Albumin). Elles ont permis de déterminer les différents paramètres influant sur la préconcentration de ces deux analytes et de prouver la sélectivité et l’efficacité de la méthode proposée ici. Des régimes de préconcentration inattendus, stables et présentant des taux élevés ont en effet été obtenus au cours de cette thèse. / Nanofluidics is the study of the transport of molecules through filtering nanostructures whose size approximates the thickness of the diffuse double layer at the surface of the glass. At this scale of hundreds of nanometers, the surface charge induces an exclusion of negative species outside the "nanofilter" and a retention effect of biomolecule. Studies on the electrokinetic transport in a single nanochannel have shown that it was theoretically possible to concentrate solutions, even highly diluted, with high rates (up to 103) thanks to a concentration polarization effect. This phenomenon can be exploited in many medical diagnostic applications (early and fast sample analysis), quality control (food, water) or defense (continuous monitoring of risky areas for biological terrorist threat). Modeling the dynamics of electropreconcentration phenomena (under an electric field) and retention phenomena (under a pressure gradient) of a single nanochannel is extremely difficult. A multitude of observations, often contradictory regarding the obtained preconcentration profile, were also reported with focal points observed sometimes in the anodic side and other times in the cathodic side for the same protein . Some experiments observe these focal points either upstream in the microchannel reservoir or directly at the entrance of the nanochannel. In this context, a one-dimensional model was previously developed to predict the concentration profile of the analyte at any point of the proposed MNM (Micro/Nano/Microchannel) structure. This modeling work has demonstrated the existence of four distinct regimes: two regimes in the anodic side and two regimes in the cathodic side, more or less distant from the nanochannel. This model highlighted the selectivity of the process regarding the electrophoretic mobility and the valence of the preconcentrated analytes and allowed to understand a little better the diversity of reported experiments. However, the obtained regime depends on the bioanalyte. Though it would be interesting not to be dependent of the characteristics of the analyzed solution and, on the contrary, to realize a selective electropreconcentration of the analyte. This could allow to perform two important steps in any diagnosis: the separation and the preconcentration of a mixture. To do so, we introduced an experimental setting, a hydrodynamic component (or pressure) in addition to the electric field to modulate the localization of the preconcentration .Using an "all glass" technology patented in LPN, chips perfectly insulating, biocompatible and with an exceptional resistance over time are now manufactured. These chips presenting a nanoslit in a straight microchannel are combined with a "homemade" experimental set-up fully automated (interfaced with Matlab®) which allow a perfect control of the various experimental parameters. The data obtained during experiments are then preprocessed by other Matlab codes that we have developed. Thanks to these various tools, many electropreconcentration experiments were performed for two bioanalytes: fluorescein and BSA (Bovin Serum Albumin). They have identified different parameters affecting the preconcentration of these analytes and they have demonstrated the selectivity and the efficiency of the method proposed in this thesis. Unexpected and stable preconcentration regime have been obtained with high rates of preconcentration.

Dans le cadre du stockage des déchets nucléaires en couche géologique profonde (projet Cigéo), il est nécessaire de pouvoir prédire l'écoulement des radionucléides sous forme ionique dans des milieux poreux chargés tels que l'argile. Les matériaux argileux sont complexes et il est difficile de connaître leur structure, surtout à l'échelle nanoscopique où les phénomènes électrocinétiques deviennent primordiaux. Dans ce cas, la stratégie adoptée dans ce travail est de représenter la porosité à l'aide d'un réseau de pores connectés entre eux par des canaux. Cela nécessite de connaître les propriétés du transport couplé à l'échelle du canal en prenant en compte les flux de solvant, de solutés et de charges sous l'influence de gradients de pression, de concentration en sel et de potentiel électrostatique. La description du transport électrocinétique utilisée correspond à celle du modèle de Poisson-Nernst-Planck. On peut ainsi montrer que le comportement de ces propriétés peut différer entre l'échelle du canal et celle de l'échantillon (réseaux construits aléatoirement à partir de distributions de paramètres). Par exemple, on constate que la perméabilité d'un réseau diminue si les effets électrocinétiques augmentent, ce qui n'est pas le cas à l'échelle du canal. Ces différences proviennent de la présence simultanée de couplages entre les flux et de l'hétérogénéité du milieu. Un échantillon numérique ayant les mêmes propriétés qu'un échantillon réel d'argile a ainsi été créé au terme d'un processus de sélection des distributions de paramètres des canaux, il a ainsi servi à réaliser des études préliminaires sur le colmatage et la désaturation. / As part of the disposal of nuclear waste in deep geological formations (Cigéo project), it is necessary to predict the flow of radionuclides in ionic form in charged porous media such as clays. The clay materials are complex and it is difficult to know their structure, especially at the nanoscale where electrokinetic phenomena become paramount. In this case, the strategy adopted in this work is to represent the porosity with a network of pores interconnected by channels. This requires to know the properties of the coupled transport at the channel scale taking into account the flow of solvent, solutes and charges under the influence of gradients of pressure, salt concentration and electrostatic potential. We used the Poisson-Nernst-Planck model to describe the electrokinetic transport in the channels. It can be shown that the behavior of these properties may vary between the channel scale and the sample scale (random networks constructed from parameters distributions). For example, it is found that the permeability of a network decreases as electrokinetic effects increase, which is not the case at the level of a single channel. These differences arise from the simultaneous presence of coupling between the flows and the heterogeneity of the sample. A numerical sample having the same properties as real clay sample has been created following a process of selection of the channels parameters, it has been used to conduct preliminary studies on clogging and desaturation in clay.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Depuis plus de trente années, des recherches en didactique de la physique ont montré dans un grand nombre de pays que les élèves rencontrent des difficultés d'apprentissage en électricité et ce, quel que soit le niveau scolaire. Ces difficultés s’expliquent notamment par un certain nombre de conceptions qui viennent entraver la compréhension des phénomènes électriques. Pour palier ces difficultés, les didacticiens, et de fait les enseignants, utilisent des analogies plus ou moins adaptées et performantes. Pour réaliser notre travail de recherche, nous étudions une analogie innovante entre les domaines mécanique (domaine source) et électrique (domaine cible), cette analogie a la particularité d'être instrumentée, ce qui permet d'expérimenter dans le domaine source. Notre travail de recherche s’intéresse aux conditions d’efficacité de cette analogie pour l'apprentissage des élèves. La revue bibliographique dans les domaines de la didactique de la physique, l'ergonomie et la cognition incarnée a permis, dans un premier temps, d'établir un ensemble de conditions auxquelles doit répondre l'analogie pour être efficace. Notre travail a permis de montrer que cette analogie possède les critères requis pour être considérée comme une analogie potentiellement efficace. Dans un second temps, nous avons vérifié l'impact de la mise en oeuvre de cette analogie avec des élèves de terminale scientifique. Pour cela nous avons réalisé des questionnaires et des entretiens avec les élèves. Les résultats aux questionnaires mettent en évidence une efficacité moindre que celle que laissait supposer l'étude sur le potentiel didactique de l'analogie. C'est par le biais d'entretiens auprès des enseignants et d'enregistrements de cours qu'une très grande disparité d'utilisation de l'analogie a été repérée. L'étude des données recueillies permet de mieux comprendre les raisons qui expliquent la faible utilisation de l'analogie. Ces résultats ont permis la conception d'une première version d'un guide d'utilisation à destination des enseignants. / For over thirty years, research in didactics of physics have shown in many countries that students encounter learning difficulties in electricity and that, regardless of the grade level. These difficulties can be especially explained by a number of misconceptions that prevent the understanding of electrical phenomena. To overcome these difficulties, researchers in didactics and teachers use analogies which are more or less adapted and powerful. To achieve our research, we study an innovative mechanical analogy between mechanical domain (source domain) and electrical domain (target domain). This analogy has the feature of being instrumented, which allows to experiment in the source domain. Our research focusses on the conditions of effectiveness of this analogy for student learning. The literature review in physics, science education, ergonomics and embodied cognition allowed, firstly, to establish a set of conditions to be met by the analogy to be effective. Our work has shown that this analogy has the necessary criteria to be considered an effective analogy. Secondly, we tested the impact of the implementation of this analogy with scientific 12th grade students. For this, we made tests and interviews with students. The test results show a lower efficiency than suggested by the study of the potential of the analogy. Through interviews with teachers and course records, we note a great disparity of use of the analogy. The study of collected data allows to better understand the reasons of the low use of the analogy. These results allowed to design a first version of a manual for teachers.

Malgré un rôle important en physique, biologie et dans les processus industriels tels l’agroalimentaire et la dépollution de l’eau, la dynamique d'une particule colloïdale à proximité d'une interface fluide et ses interactions avec l’interface sont des phénomènes physiques encore débattus.Dans cette thèse, nous explorons la dynamique et l'interaction de particules colloïdales individuelles à proximité d'une interface air-eau à l’équilibre thermique.Afin de mener cette étude sans perturber le système expérimental, nous avons conçu et construit un microscope interférentiel à double onde adapté à l'interface air-eau. Contrairement à d'autres techniques expérimentales, notre configuration permet la mesure précise de la distance absolue entre particule l'interface sans nécessiter d’étalonnage ou d’hypothèse sur l'emplacement de l'interface. Nous avons ainsi pu obtenir des trajectoires hautement résolues de particules en 3D proches de l'interface, permettant la mesure précise des diffusions proche de l’interface et des interactions particules-interface.Le système montre deux profils d’énergie potentielle différents. Deux distances d’équilibre particule-interface sont ainsi observées. La plus grande peut être expliquée par la compétition des interactions de Van der Waals et électrostatiques avec la pesanteur. La distance d’équilibre plus courte ne peut s’expliquer que par la présence d’une interaction attractive supplémentaire. Les origines possibles de cette interaction sont discutées.En utilisant une nouvelle méthode d'analyse des déplacements quadratiques moyens des particules dans un potentiel générique, nous avons pu accéder aux coefficients de friction visqueuse des particules en fonction de la distance à l'interface. De manière singulière, l’interface air-eau se comporte comme une paroi liquide pour le mouvement des particules parallèlement à l’interface et comme une paroi solide pour le mouvement des particules perpendiculaire à l’interface. Ce résultat expérimental peut être partiellement rationalisé en considérant des modèles récents basés sur l’incompressibilité de surface. Cependant, certaines différences entre les expériences et les théories demeurent. Les coefficients de friction visqueuse sont plus importants que les prédictions hydrodynamiques et dépendent de la charge électrique des particules, ce qui suggère un possible rôle des phénomènes électrocinétiques.Enfin, le piégeage des particules à l'interface air-eau et leur angle de contact ont été mesurés tout en modifiant la force ionique de la solution aqueuse et en faisant varier l‘état de surface des colloïdes. / Despite the relevance to environmental, biological and industrial processes, the motion of a colloidal particle close to a fluid interface and the way it interacts with the water surface are still largely elusive and intriguing physical phenomena.In this thesis, we explore the motion dynamics and the interaction of individual colloidal particles close to an air-water interface in thermal equilibrium.In order to investigate them without perturbing or altering the experimental system, we designed and built a dual-wave reflection interference microscope working with an air-water interface geometry. Contrary to other established experimental techniques, our set-up allows accurate measurements of the absolute particle-interface distance and thus does not require any calibration or assumption to know the location of the interface. Highly resolved 3D particle trajectories close to the interface were obtained, from which information on particle diffusion close to the interface and particle-interface interactions are obtained.The system shows two different potential energy landscapes resulting in two different equilibrium particle-interface distances. The larger one can be fairly explained by Van der Waals and electrostatic interactions combined with gravity. The shorter one highlights the existence of an unexpected additional attractive interaction. The possible origins of such an interaction are discussed.Using a method of analysis of the particle mean square displacements in a generic potential we developed, we were able to access to particle drag coefficients as a function of the distance from the interface. Peculiarly, the air-water interface acts as a slip boundary for the particle motion parallel to the interface and as a no-slip boundary for the particle motion perpendicular to the interface. This experimental result can be partially rationalized considering recent models based on surface incompressibility. However, some discrepancies between experiments and theories remain. Experimental drag coefficients are larger than the hydrodynamic predictions and depend on the particle electrical charge, pointing therefore to a possible role of electrokinetic phenomena.Finally, the particle trapping at the air-water interface and its contact angle were observed while tuning the ionic strength of the aqueous solution and varying the surface state of the colloids.

La méthode de polarisation spontanée (PS) consiste en la mesure du potentiel électrique naturellement présent dans le sol. Elle est la seule méthode sensible aux écoulements d'eau souterrains. Les principaux objectifs de cette thèse ont été de (1) déterminer l'influence de la conductivité de surface et du régime d'écoulement sur le coefficient de couplage électrocinétique (paramètre crucial pour l'interprétation des signaux de PS), (2) de montrer l'efficacité de la PS dans la mise en évidence des phénomènes hydromécaniques et (3) de caractériser les écoulements de fluides en contexte volcanique. Nous avons développé un modèle corrigeant le coefficient de couplage électrocinétique à la<br />fois des effets de la conductivité de surface et du nombre de Reynolds. La validité de ce modèle a été confirmée grâce à des expériences réalisées sur billes de verre. Lors d'expériences en cuve, la méthode du potentiel spontané associée à un appareillage de haute sensibilité nous a permis de caractériser la signature électrique liée à des phénomènes<br />hydromécaniques. Utilisées à partir des enregistrements de PS réalisés à la surface de la cuve les méthodes d'analyse en ondelettes et d'intercorrelation ont montré la nature dipolaire de la source électrique liée à de telles perturbations et ont permis sa localisation. Sur le Stromboli en Italie, nous avons utilisé une approximation au premier ordre de la relation entre l'épaisseur de la zone vadose et l'anomalie de PS afin de déterminer la profondeur d'un aquifère situé sur le flanc est du volcan.

Avec une législation devenant de plus en plus stricte concernant les sédiments de dragages, la décontamination des polluants et plus particulièrement, à cause de leur forte toxicité, des composés organostanniques, notamment le tributylétain (TBT) représente un enjeu très important. Différents procédés de décontamination des sédiments pollués existent. Certains reposent sur les phénomènes d'atténuation naturelle souvent longs et limités à certains polluants, tandis que d'autres consistent à stabiliser et confiner la pollution par voie chimique ou thermique. L'électrodécontamination est une technique innovante qui n'a encore reçu que peu d'applications au stade pilote ou sur le terrain au plan international. Le principe de base de ce procédé consiste à exploiter le déplacement d'espèces ioniques polluantes sous l'effet d'un champ électrique entre une ou plusieurs cathodes et une ou plusieurs anodes implantées dans un milieu poreux. D'une manière simplifiée, la dépollution qui s'effectue essentiellement par électromigration pour les espèces ioniques (métaux libres...) vers l'électrode correspondante (cathode pour les cations et anode pour les anions) et par électroosmose pour les espèces neutres (composés organiques ou organométalliques neutres...) le plus souvent vers la cathode. Son efficacité est contrôlée par le flux de polluants dans la solution du sol donc par leur vitesse de transport et de leur concentration dans la phase liquide. L'optimisation du procédé dépend donc simultanément de facteurs électrochimiques qui contrôlent le transport des polluants et de facteurs physico-chimiques qui influencent le transfert de matière. Plusieurs expériences ont été menées sur un modèle de matrice solide (kaolinite dopée en tributylétain (TBT)) et sous diverses conditions de pH et de gradient de potentiel. Des essais ont été également réalisés sur un sédiment naturel avec diverses conditions opératoires concernant le pH, le gradient de potentiel et la température. Les résultats montrent que nous obtenons des pourcentages d'abattements en TBT supérieurs à 90 % pour un modèle de matrice solide, la kaolinite dopée en TBT, et peuvent atteindre jusqu'à 70 % d'abattement pour un sédiment naturel. Ils montrent également que les composés migrent préférentiellement vers la cathode. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence la compétition entre deux mécanismes : le transfert / transport des composés butylés de l'étain vers les électrodes et le transport du réactif facilitant la dégradation in-situ de ces espèces. Les travaux ont montré des résultats très satisfaisants et extrêmement prometteurs quant à l'application du procédé au stade pilote. Ils ont ouverts une voie particulièrement intéressante sur la décontamination des sédiments et leur gestion future.

L'étude présentée concerne la conception d'une base de donnée hypermédias destinée à la révision en autonomie de l'électrocinétique de base (grade 8-10 environ), conception qui tient compte des recherches en didactique de la physique et à propos des usages des hypermédias ; elle concerner aussi l'évaluation de son utilisation dans deux classe en grade 10, qui valide bon nombre d'options retenues pour la conception.