Dans cette thèse, nous étudions un métamatériau inspiré de la paille de blé pour l'absorption parfaite du son. Une botte de paille estidéalisée comme un milieu poreux anisotrope, composé d’un arrangement périodique très concentré de tubes creux cylindriques. L’approche théorique de ce métamatériau repose sur l'homogénéisation asymptotique à deux échelles d'un réseau perméable de résonateursparfaitement rigides dont la physique est enrichi par des résonances internes. Les principales caractéristiques de ce milieu poreux sont lacompressibilité effective négative autour de la résonance du tube et la réduction drastique de la vitesse de propagation du son (slowsound) à très basse fréquence. Une configuration optimale est conçue, basée sur la condition de couplage critique, pour laquelle la fuited’énergie du système résonnant ouvert est parfaitement compensée par les pertes intrinsèques induites par les pertes viscothermiques.Des mesures en tube à impédance sont effectuées sur des échantillons fabriqués par impression additive pour valider les résultatsthéoriques. Nous montrons que ce métamatériau est un absorbeur sub-longueur d'onde capable d’une absorption parfaite à très bassefréquence et d'introduire une quasi-bande interdite autour de la résonance du tube. De plus, la nature anisotrope de ce matériau conduit àune absorption globalement élevée à basse fréquence et ce pour toutes les incidences. Cette étude offre la possibilité de concevoir unabsorbeur acoustique sélectif en angle et en fréquence. Pour conclure, les résultats de cette thèse montrent que la paille est un boncandidat pour une absorption acoustique parfaite. / Straw-inspired metamaterials for sound absorption are investigated in this Thesis. A straw stack is idealized as a highly concentratedresonant anisotropic porous medium constituted of a periodic arrangement of densely packed cylindrical hollow tubes. The approach tothis metamaterial relies on the two-scale asymptotic homogenization of a permeable array of perfectly rigid resonators, where the physicsis further enriched by tailoring inner resonances. The main features of such sound absorbing medium are the possibility for the effectivecompressibility to become negative around the tube resonance and the drastic reduction of the effective sound speed (slow sound) at verylow frequency in the system. Moreover, an optimal configuration for sound absorption is designed, based on the critical couplingcondition, in which the energy leakage out of the open resonant system is perfectly compensated by the intrinsic losses induced by thevisco-thermal losses both in the anisotropic matrix and in the resonators. Impedance tube measurements are performed on 3-D printedsamples with controlled parameters to validate the theoretical results. This metamaterial is a sub-wavelength absorber that can achievetotal absorption at a very low frequency and possesses a quasi-band-gap around the tube resonance. Furthermore, the anisotropic nature ofthe configuration gives rise to high absorption at low-frequency range for all incidences and diffuse field excitation. It paves the way tothe design of angular and frequency selective sound absorber. To conclude, the results of this Thesis show that straw is a good candidatefor perfect sound absorption.

This work resulted in the development of multiple distinct and novel methods of cheaply producing large numbers of biologically derived, complex, 3-dimensional microstructures in a multitude of possible compositions. The biologically derived structures employed in this work were diatoms, a type of single celled algae, which grow complex silica shells in species-specific shapes. Due to the wide diversity of naturally occurring diatom shapes (on the order of 105), and the flexibility in tailoring chemical compositions using the methods developed here, real potential exists for cheaply mass-producing industrially relevant quantities of controlled shape and size 3-d particles for the first time. The central theme of this research is the use of diatoms as a transient scaffold onto which a coating is applied. After curing the coating, and in some cases firing the coating to form ceramic, the diatom can be selectively etched away leaving a free standing replica of the original structure with the salient features of the pre-form intact, but now composed of a completely different material. Using this concept, specific methods were developed to suit various precursors. Dip coating techniques were used to create epoxy diatoms, and silicon carbide diatoms. The Sol-Gel method was used to synthesize zirconia diatoms in both the tetragonal and monoclinic phases. A multi step method was developed in which previously synthesized epoxy diatoms were used as a template for deposition of a silicon carbide precursor and then heat treated to produce a silicon carbide/carbon multi-component ceramic. A hydrothermal reaction was also developed to convert Titania diatoms to barium titanate by reaction with barium hydroxide. Finally, the device potential of diatom-derived structures was conclusively demonstrated by constructing a gas sensor from a single Titania diatom. Under suitable conditions, the sensor was found to have the fastest response and recovery time of any sensor of this type reported in the literature. Furthermore, this work has laid the groundwork for the synthesis of many other tailored compositions of diatoms, and provided several compositions for device creation.

<p>The development of new materials has been inspired by lessons learned from natural systems. In the area of underwater adhesion and adhesives, inspiration has come from the complex protein adhesives generated by marine organism such as barnacle and mussels. These protein systems have a high incorporation of a unique amino acid, dihydroxyphenylalanine, and provides the unique adhesive qualities synthetic systems strive to emulate.</p> <p>By understanding how marine mussels stick to a variety of surfaces, new strategies can be explored for preventing the adhesion of biological organisms to various substrates. A continuous concern for marine vessels is the detrimental impact caused by biofouling on the hull of the ship. Fuel consumption can increase as the vessel’s drag increasing fuel consumption and non-native species can be introduced into new environments. Taking inspiration from catechol curing, new oxidative surfaces were investigated as potential antifouling coatings.</p> <p>Further insight into the marine mussels ability to apply and cure its adhesive on a variety of substrate has also inspired various synthetic polymers. The catechol moiety can be incorporated into a polymer backbone to give a new solvent based adhesive. Further investigation of the poly(styrene-co-(3,4-dihydroxystyrene)) adhesive system was done to formulate an underwater adhesive for unique use cases. A terpolymer was also explored as an ideal adhesive taking inspiration from the mussels by incorporating flexible, stiff, and sticky components to give a tunable adhesive.</p> <p>Having a strong bonding synthetic adhesive that can be used on a laboratory scale is good for academic investigation, but not of use outside the lab if it cannot easily be produced on a commercial scale. With the goal of large scale synthesis, a new polymerization method was introduced addressing some of the issues currently preventing commercial scale production.</p><br>

Organická elektronika a bioelektronika zažívá v moderním věku obrovskou snahu o vývoj nových organických materiálů s vlastnostmi, které běžná elektronika na bázi křemíku obvykle nedosahuje. Tato práce se zabývá syntézou a charakterizací nových organických materiálů pro organickou elektroniku. Zaobírá se přípravou nových pentafluorsulfanylových heterocyklických stavebních bloků, alkylovaných vysokoúčinných organických pigmentů a bioinspirovaných organických -konjugovaných materiálů s modifikovatelnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi a racionálními syntetickými přístupy k jejich přípravě. Pentafluorsulfanylová skupina (SF5) je ceněna pro svou vysokou elektronegativitu, lipofilitu, tepelnou a chemickou stabilitu. Pozitivně ovlivňuje optické a elektronické vlastnosti, rozpustnost a stabilitu v často lepší míře než u zavedených CF3-analogů. Šesti a čtyřkrokovou syntézou byly připraveny dva typy derivátů 3-SF5-substituovaných pyrrolidinů, které mohou sloužit jako všestranné stavební jednotky pro začlenění do pokročilých aromatických a heteroaromatických -konjugovaných systémů prostřednictvím atomů dusíku jako fluorované terminální skupiny. Modelový derivát byl zaveden jako terminální skupina do elektronově chudého heteroaromatického systému nukleofilní substitucí. Vodíkovými můstky vázané vysokovýkonné organické pigmenty přitahují velkou pozornost díky svým působivým polovodivým vlastnostem, silné 2D molekulární asociaci, vysoké tepelné, chemické a fotochemické stabilitě a nízké toxicitě. Přesto jsou pouze omezeně rozpustné a zpracovatelné, což lze vyřešit zavedením solubilizačních skupin. Je známo, že obzvláště objemné rigidní skupiny nesoucí adamantyl zlepšují uspořádání molekulární struktury, tepelnou stabilitu a výsledné vlastnosti díky samoorganizační schopnosti adamantanu. Adamantylmethylová a adamantylethylová skupina byla zavedena do vybraných barviv a pigmentů ze skupiny karbonylových azaacenů, rylen-diimidů a indigoidů pomocí nukleofilní substituce se zaměřením na zvýšení rozpustnosti a zpracovatelnosti při zachování tepelné stability a efektivní molekulární organizaci v pevné fázi. Fyzikálně-chemické studie série derivátů quinacridonu a epindolidionu ukázaly srovnatelnou, nebo vyšší tepelnou stabilitu než u nesubstituovaných derivátů, dobrou rozpustnost v organických rozpouštědlech, silnou fluorescenci v pevné fázi a roztoku v oblasti VIS a unikátní krystalovou strukturu pozorovanou z RTG analýzy. Flaviny jsou všudypřítomné bioinspirované organické materiály s nepostradatelnými biologickými funkcemi, výhodnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi, chemickou a aplikační všestranností. Cílem práce byla modifikace optických, elektronických, elektrochemických, tepelných a dalších vlastností rozšířením -konjugovaného systému syntetizovaných materiálů. V první fázi byly navrženy dva syntetické přístupy pro přípravu série NH-nesubstituovaných flavinů, u kterých byly provedeny komplexní fyzikálně-chemické studie. Poté byly navrženy dva přístupy k syntéze N,N'-dialkylovaných flavinů s inkorporovaným butylovým, adamantylethylovým a triethylenglykolovým substituentem. Alkylací byla zvýšena rozpustnost v organických rozpouštědlech a vodném prostředí, zesílena fluorescence v pevné fázi a v roztocích a modifikovány tepelné vlastnosti v závislosti na zavedeném alkylovém substituentu.