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

Nous présentons dans cette thèse une étude du comportement hydrodynamique des nanoparticules en suspension dans un ferrofluide et soumises à un gradient de champ magnétique. Le but est de caractériser la séparation magnétique, d'une suspension colloïdale, dans le cadre d'un projet de conception d'un système de traitement des eaux HGMS . Nous développons un modèle mathématique qui décrit le suivi Lagrangien des nanoparticules dans un fluide porteur. Il est basé sur la description de Fokker-Planck et la description de Langevin tout en tenant compte des interactions hydrodynamiques et magnétiques . Le modèle prend aussi en compte la géométrie des agrégats qui se forment. A partir de la simulation numérique, nous constatons que le temps de séparation dépend fortement de la taille et de la longueur des agrégats qui se forment au cours du processus de séparation. L'étude de la cinétique d'agrégation montre l'existence d'une loi d'échelle dynamique. Dans l'agrégation irréversible, des chaînes linéaires de particules se forment et leur taille moyenne évolue dans le temps avec une loi d'échelle à faible puissance. L'exposant de cette variation avec l'équation de coagulation de Smoluchowski avec un noyau homogène. En utilisant le comportement asymptotique, aux temps longs, d'une solution des équations de Smoluchowski, nous mettons en évidence un temps caractéristique de l'agrégation et nous montrons que ce temps est une variable de similarité dont dépend le temps de séparation. Nous montrons aussi que la loi d'échelle est toujours valide pour des nanoparticules dans un écoulement de Poiseuille et que la taille moyenne suit une loi de puissance en fonction du nombre de Reynolds. / We present in this thesis a study of the hydrodynamic behavior of nanoparticles suspended in a ferrofluid and subjected to a magnetic field gradient. The goal is to characterize the magnetic separation of a colloidal suspension in a project to design a water treatment system HGMS (High Gradient Magnetic Separation) that can also have other applications. We develop a mathematical model that describes the Lagrangian tracking of nanoparticles in a carrier fluid. It is based on the Fokker- Planck and Langevin descriptions while taking account of magnetic and hydrodynamic interactions between particles. The model also takes into account the geometry of the formed aggregates. From the numerical simulation, we find that the separation time depends strongly on the size and length of the aggregates formed during the separation process. The study of the kinetics of aggregation shows the existence of a regime with dynamic scaling. In the irreversible aggregation linear chains of particles are formed and their average size changes over time with a scaling law with a low power. The variation exponent of the average size of chains is consistent with the Smoluchowski coagulation equation with a homogeneous kernel. Using the asymptotic, long-time behavior, of a solution of Smoluchowski equations we highlight a characteristic time of aggregation and we show that this time is a similarity variable on which depend the separation time. We also show that the scaling law is still valid for nanoparticles in a Poiseuille flow and the average size follows a power law as a function of Reynolds number.

Les Smart Grids visent à transformer le réseau électrique actuel en un réseau "plus intelligent" où la production énergétique est décentralisée et automatisée, facilitant l'intégration des sources d'énergie renouvelables. Cette évolution est rendue possible grâce à l'utilisation d'un réseau de communication pour les multiples échanges de données hétérogènes des Smart Grids. L'objectif de cette thèse est de proposer un paradigme de communication efficace en termes de qualité de service pour les Smart Grids basé sur les réseaux de capteurs.Dans un premier temps, on s’intéresse au protocole standard RPL. Nous proposons une évolution de celui-ci à travers une nouvelle fonction objectif. Celle-ci tire parti de l’hétérogénéité matérielle des nœuds et des liens pour introduire la qualité de service. Cela permet à RPL de satisfaire les multiples et différentes exigences en termes de fiabilité, de latence et de priorité dans l'acheminement des données. Nos résultats montrent que notre approche permet bien la différentiation du trafic tout en réduisant la latence du routage et en économisant l'énergie.Nous proposons également d'améliorer l'utilisation du réseau de capteurs en y introduisant l’auto-organisation et la réduction des données. Le but est alors de prédire la valeur des données mesurées plutôt que de les transmettre.Une autre approche explorée est d'agréger les différents messages transitant sur le réseau tout en considérant leurs différentes exigences de qualité de service. Ces deux approches permettent ainsi de réduire la consommation d'énergie tout en respectant les exigences des différentes applications des Smart Grids. / Smart Grids aim to transform the current electric grid into a "smarter" network where energy production is decentralized and automated, which facilitates the integration of renewable energy resources. This evolution is made possible thanks to the use of a communication network for the multiple heterogeneous data exchanges of the Smart Grids. Hence, the aim of this thesis is to propose an efficient communication paradigm in terms of quality of service for Smart Grids based on wireless sensor networks.First, we study data routing in Smart Grids with the RPL standard. Nevertheless, RPL is not suitable for Smart Grid applications in terms of quality of service. Therefore, we propose an objective function for RPL that takes different features of both nodes and links into consideration. Results show that our approach improves network performance compared to existing solutions in terms of packet delivery ratio, network lifetime, latency and traffic differentiation.Then, we also propose a more efficient data collection by introducing self-organization and data reduction for these wireless sensors. The goal is to predict the value of the measured data rather than transmitting them. Another explored approach is to aggregate the different messages sent across the network while considering their different requirements in terms of quality of service.These two approaches reduce the energy consumption while respecting the requirements of the different applications of the Smart Grids.

La compréhension des mécanismes d'agrégation de particules solides en milieu non mouillant revêt une grande importance dans de nombreuses disciplines scientifiques. Pour réaliser cette étude, le système modèle retenu est constitué de particules de silice rendues hydrophobes plongées dans un mélange eau - éthanol. Etant donné le caractère fragile des agrégats, l'agrégation se devait d'être étudiée in-situ ce qui a pu être réalisé grâce a un capteur turbidimétrique développé au laboratoire. Pour connaître la taille finale et la morphologie des agrégats, d'autres méthodes ont également été utilisées ce qui a permis de confronter les résultats entre eux. L'influence de différents paramètres sur l'agrégation ont ensuite été étudiés telles que la vitesse d'agitation, la mouillabilité, la présence ou non d'un milieu désaéré, l'injection de bulles...<br />La modélisation des phénomènes d'agrégation – fragmentation utilise l'approche des bilans de populations et prend en compte l'hydrodynamique de la suspension ainsi que les aspects physico-chimiques propres à la non mouillabilité. L'un des points les plus importants qui ressort de cette étude concerne la diminution de la fragmentation due à la présence de ponts gazeux entre les particules solides plongées dans un milieu liquide non mouillant.

Ce travail a pour objectif de comprendre et de mesurer les processus d'agrégation et leur impact sur le transport et le dépôt de matière à l'interface entre l'eau douce et l'eau de mer. Il combine des mesures de terrain au niveau de la zone de mélange du grand Rhône, des expériences de laboratoires et une étude numérique de l'agrégation.<br />En effet, afin de mener à bien cette étude, il a fallu développer de façon préliminaire différents outils. On a ainsi mis au point deux nouvelles méthodes de mesure expérimentale de la structure des agrégats qui échappent aux techniques existantes. Ces méthodes permettent, outre une meilleure connaissance du système, de développer et de valider un nouveau modèle de la cinétique de croissance des agrégats. Ce modèle numérique prend en compte la dimension fractale des agrégats ainsi que sa variabilité. Il est validé par confrontation à des données issues de la bibliographie et l'expériences.<br />Une étude de terrain dans l'estuaire du grand Rhône est menée dans des conditions hydrodynamiques contrastées (étiage, débit moyen et crue). Elle a permis d'obtenir, pour la première fois, une série de mesures de tailles de particules tout au long de la zone de mélange. Il est établi que les particules les plus grosses (supérieures à 5 microns) présentent une évolution contrôlée par la dilution, la sédimentation et<br />éventuellement la remise en suspension. Par contre, les particules plus petites (2 à 5 microns) montrent une augmentation de leur concentration le long de la zone de mélange. Dans les premiers temps du mélange, cette augmentation est liée à la fragmentation d'agrégats. Il est possible de montrer ensuite i) que l'agrégation des colloïdes ne peut expliquer cette augmentation que si ceux ci ne réagissent pas avec les fractions de tailles supérieures et présentent une réactivité très supérieure à la réactivité moyenne (alpha : 0.009) et ii) que la production primaire est un mécanisme probable pour expliquer cette augmentation.

Cette thèse, codirigée par l'Inrets et le Lamsade, vise à contribuer à la conception d'un outil infornatique pour des responsables publics qui souhaiteraient s'appuyer sur un modèle afin de gérer de manière durable les problèmes environnementaux dus aux transports et cela dans un contexte de démocratie participative. Nous proposons donc une « aide multicritère à l'évaluation de l'impact sur l'environnement» qui consiste à structurer hiérarchiquement un ensemble d'objectifs, puis à appréhender leur atteinte à l'aide de critères dans un but d'établir un diagnostic, de donner l'alerte, de réaliser une analyse tendancielle et non systématiquement d'envisager une prise de décision. Cela nous amène naturellement à comparer 1'« aide à la décision », classique, à 1'« aide à l'évaluation ». Compte tenu de la complexité du problème et pour faire face au conflit qu'il existe entre la simplicité et la transparente d'un résultat d'évaluation, nous proposons, à tous les niveaux de la hiérarchie d'objectifs, une agrégation multicritère qui s'inspire fortement des méthodes Electre et de l'indice Atmo. Nous illustrons cela par une modélisation du problème, des spécifications fonctionnelles et un prototype. Mots clés libres : évaluation; multicritère; agrégation; environnement; transports

Le phénomène de multirésistance aux médicaments laisse les patients atteints de cancer avec un pronostic défavorable et leurs options de traitement sont limitées. Par conséquent, des intérêts croissants dans la recherche de nouveaux composés antitumoraux ou d'autres stratégies pour combattre la multirésistance se sont manifestés. La microscopie électrochimique à balayage (SECM) est dans ce domaine une candidate prometteuse pour l'étude de cellules vivantes. Cette méthode emploie des électrodes nanométriques qui peuvent être utilisées pour détecter des métabolites dans les études portant sur une cellule unique. Le présent travail montre l'influence du ferrocèneméthanol (FcCH2OH) sur deux lignées différentes de cellules humaines cancéreuses du col utérin. Le potentiel de la microscopie électrochimique à balayage biologique (Bio-SECM) est démontré par le fait que la réponse différentielle au FcCH2OH des cellules résistantes aux médicaments provient en partie de l'efflux non spécifique d'une protéine associée cette résistance, la MRP1. Le lien nouvellement établi entre FcCH2OH / [FcCH2OH]+, GSH / GSSG et la multirésistance dans les cellules cancéreuses humaines pourrait avoir un impact sur de futures applications qui nécessitent une évaluation adéquate de la réponse métabolique à des médicaments anticancéreux chez les cellules résistantes à la chimiothérapie. Pour améliorer les futures études de Bio-SECM sur les cellules, une nouvelle procédure d'adhésion cellulaire est établie. Grâce à des membranes élastomériques comprenant des pores à des endroits précis, il est possible de créer des motifs contenant un seul type de cellules, ainsi que de co-cultures. En outre, la technique de Bio-SECM est améliorée par l'introduction d'un mode particulier de balayage de la sonde. Ce mode, appelé distance constante, permet de découpler les informations sur la topographie et sur la réactivité. Le travail présenté est une première étape importante vers l'établissement d'un indicateur quantifiant les activités reliées à la résistance aux médicaments des cellules. Cela pourrait être utilisé tout au long de la vie des cellules et sur différentes lignées, ce qui permettrait de faire un dépistage de médicaments ciblés. Cela améliorerait l'analyse actuelle du cancer, ce qui conduirait finalement à avoir un meilleur traitement chimiothérapeutique. La présente thèse est structurée en trois chapitres, dont deux ont le format d'un manuscrit d'un article scientifique. Le premier chapitre se concentre sur l'utilisation de la microscopie électrochimique à balayage (SECM) pour étudier les cellules vivantes. Grâce à cette technique, les auteurs abordent le phénomène de multirésistance chez les cellules cancéreuses humaines et son impact sur la recherche médicale future. Une nouvelle procédure de structuration de l'adhésion cellulaire sur des motifs définis est présentée dans le chapitre deux de cette thèse. Elle vise à améliorer les conditions de travail pendant les études de Bio-SECM. Le dernier chapitre décrit les perspectives et les objectifs à long terme à atteindre au cours qu’offre ce travail. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Microscopie, Électrochimique à balayage, Multirésistance aux médicaments, Formation de motif cellulaire, Imagerie électrochimique, Cancer

La modélisation de la dynamique des forêts naturelles tropicales peut reposer sur deux niveaux de description : l'arbre ou la distribution en taille des arbres au sein du peuplement. Mes travaux ont porté essentiellement sur le lien entre ces deux niveaux de description, que ce soit d'un point de vue théorique ou appliqué. La théorie de l'agrégation permet ainsi de basculer du niveau détaillé de l'arbre au niveau agrégé de la distribution. Lorsque les interactions entre arbres ne sont pas dépendantes des distances, l'agrégation est asymptotiquement parfaite. Dans le cas contraire, il est essentiel de pouvoir modéliser la relation rétro-active de la dynamique sur la répartition spatiale des arbres. La méthode des moments apporte alors une solution approximative à la question de l'agrégation. La question peut également être abordée dans le sens inverse (désagrégation), le modèle de dynamique étant vu comme un algorithme de simulation d'un processus ponctuel marqué (la marque étant la taille des arbres). Ces questions se transposent pour traiter le cas de la diversité spécifique propre aux forêts tropicales. La théorie de l'agrégation peut à nouveau être mise en oeuvre pour regrouper les multiples espèces en groupes ayant des caractéristiques de dynamique communes.

Ce travail a été réalisé autour de cinq aspects de l’agrégation des globules rouges (RBCs) sanguins induite par des macromolécules. Une approche rhéologique, ciblée sur la normalisation de la viscosité en fonction du taux d’adsorption des macromolécules et mesurée par un rhéomètre commercial, est proposée. Par cette approche, la contrainte seuil de suspensions de cellules sanguines agrégées est aussi évaluée. De plus, les taux de sédimentation des solutions biologiques utilisées sont aussi mesurés. Nos données microscopiques, incluant des mesures d’indice d’agrégation microscopique, ont eu pour conclusion que la protéine C réactive, une protéine du plasma, n’a pas d’influence sur le phénomène d’agrégation des RBCs. Des mesures microscopiques détaillées de la morphologie des zones de contact des RBCs ont montrées que ces dernières dépendent fortement de la concentration de macromolécules, en accord avec des simulations numériques dont ont pu être extraites des valeurs d’énergie d’interaction. Ces dernières ont en outre pu être directement mesurées par microscopie à force atomique avec pour résultat supplémentaire que la viscosité du milieu peut influencer la mesure de manière significative. Enfin, l’origine physique de l’agrégation est discutée et confirmée par des mesures additionnelles. Ceci permet de concilier deux théories et permet d’expliquer la forme en cloche de l’énergie d’interaction en fonction de la concentration en macromolécules d’une nouvelle manière. / In this work, five aspects of the red blood cell aggregation induced by macromolecules are investigated. A rheological approach focused on the normalization of viscosity as a function of the macromolecular adsorption rates using a commercial rheometer is proposed. Derived from that approach, the yield stress of aggregating red blood cell suspensions is investigated. The sedimentation rates of the utilized biological system are then studied. Microscopical investigations, including measurements of the microscopical aggregation index, lead to the conclusion that the C-reactive protein, a plasma protein, does not influence the aggregation behavior of red blood cells. Detailed microscopical studies on the morphology of the interaction zones of aggregated red blood cells show that these strongly depend on the macromolecular concentration in good agreement with numerical simulations that allow to derive an approximation of the interaction energies. The latter are also directly measured with single cell force spectroscopy using an atomic force microscope with the additional result that the viscosity of the surrounding medium can influence the results significantly. Finally, the physical origin of aggregation is discussed and supported by several additional measurements. This allow to combine two existing theories and explain the bell-shape of interaction energy versus macromolecular concentration curve in a new way.

Ces travaux portent sur la précipitation de boehmite AlOOH, qui est le précurseur de l’alumine γ – Al2O3, support catalytique utilisé dans de nombreux procédés de raffinage. Le contrôle de la porosité de ces particules est crucial afin de minimiser les limitations par transfert de matière et de chaleur et d’améliorer la performance des catalyseurs. La porosité de l’alumine provient en partie de l’étape de précipitation de boehmite. Elle est conservée du fait de la topotacticité de la transformation boehmite - alumine. La boehmite est obtenue par précipitation de sels d’aluminium. L’effet des paramètres physico-chimiques, tels que la température et le pH, sur les propriétés du matériau a été largement étudié dans la littérature. Cependant, peu d’études ont permis la mise en évidence des phénomènes régissant l’agrégation durant le procédé de précipitation. L’objectif de cette étude est de comprendre et de quantifier les paramètres de précipitation influençant l’agrégation de la boehmite au cours de sa synthèse. La précipitation de la boehmite a été réalisée dans deux types de dispositifs de précipitation. Le dispositif double-jets, utilisé à l’échelle industrielle, induit des conditions non-homogènes de sursaturation et de fraction volumique en particules, tant temporellement que spatialement. La deuxième méthode de précipitation de boehmite utilise des pré-mélangeurs (Hartridge-Roughton et Y), dans lequel le micro-mélange et la sursaturation initiale sont finement contrôlés. La sursaturation a été calculée au cours de la précipitation sur la base du modèle thermodynamique de Pitzer. Celle-ci est significativement plus importante dans le dispositif pré-mélangeur. L’effet des paramètres opératoires a été mis en évidence sur les propriétés texturales de la boehmite via des caractérisations ex situ (DRX, adsorption-désorption d’azote par méthode BET, cryo-MET). Les matériaux issus du dispositif double-jets présentent une porosité d’autant plus aérée que la sursaturation est faible, et il existe une valeur seuil de sursaturation au-delà de laquelle la porosité n’est plus impactée par ce paramètre, comme c’est le cas dans le dispositif pré-mélangeur. Dans ce cas, aucun autre paramètre opératoire n’affecte la texture du matériau. Ces résultats mettent en évidence des mécanismes d’agrégation dépendant directement de la sursaturation. Des techniques de caractérisation originales ont par ailleurs été mises en place afin de suivre la dynamique de l’agrégation. L’analyse par diffusion multiple de la lumière a permis de mettre en évidence des cinétiques d’agrégation différentes, directement corrélées à la porosité, et ce avant les étapes de filtration-lavage-séchage. Une analyse fine des états d’agrégation a été réalisée in situ par SAXS à rayonnement synchrotron. Cette étude a permis de proposer différents scénarii des mécanismes d’agrégation. Il apparaît que les fibres de boehmite s’agrègent de manière beaucoup plus aérée à faible sursaturation. Une porosité visée pourrait ainsi être obtenue par un contrôle fin de la sursaturation. Enfin, une première approche de modélisation par bilan de population a été développée afin de décrire les processus de formation des fibres et d’agrégation secondaire. / This work focuses on the precipitation of boehmite AlOOH, which is the precursor of alumina γ – Al2O3, used as catalyst support in many refining processes. The control of the porosity of these particles is crucial to minimize the limitation by mass and heat transfer, and improve catalysts performance. Alumina porosity mainly comes from precipitation step. It is conserved due to the topotacticity of boehmite – alumina transformation. Boehmite is obtained by precipitation of aluminum salts. The effect of physical and chemical parameters, such as temperature and pH, on the material properties has been extensively studied in the literature. However, few studies allowed the identification of the phenomena governing aggregation during the precipitation process. The objective of this study is to understand and quantify the precipitation parameters influencing boehmite aggregation, dynamically. The precipitation of boehmite was performed in two types of precipitators. The double-jet device, used at industrial scale, has non-homogeneous conditions of supersaturation and particle volume fraction, both temporally and spatially. The second boehmite precipitation method uses micro-mixers (Hartridge-Roughton and Y), wherein the micro-mixing and initial supersaturation are finely controlled. Supersaturation was calculated during the precipitation on the basis of Pitzer thermodynamic model. This one is significantly higher in the micro-mixing device. The effect of process parameters has been highlighted on boehmite textural properties via ex situ characterizations (XRD and nitrogen adsorption-desorption by BET method, cryo-TEM). Materials resulting from double-jet device develop loose porosity especially for low supersaturations. There is a supersaturation threshold value beyond which the porosity is fixed, as is the case in micro-mixer device. In this case, no other process parameter affects material texture. These results highlight aggregation mechanisms directly dependent on supersaturation. Original characterizations techniques have also been put in place to monitor aggregation dynamically. Multiple light scattering analysis allowed highlighting different aggregation kinetics, directly correlated to the porosity, before filtering, washing and drying steps. A detailed analysis of aggregations states was performed by synchrotron radiation SAXS in situ. This study allowed proposing different aggregation mechanisms scenarios. It appears that boehmite fibers aggregate in a much looser way at low supersaturation. Targeted porosity could thus be obtained by fine control of supersaturation. Finally, a first approach of population balance modeling has been developed to describe fibers formation and aggregation process.