Micro-assembly processes suffer from some breaches due to the continuing trend towards an increase in the production capabilities as well as in the size reduction of the components manipulated. Usual manipulating schemes have reached their limit and capillary forces constitute a valuable alternative strategy. The goal of this work is to describe the dynamics of liquid bridges in the application of micro-assembly processes. The description is obtained using the Kelvin-Voigt model, with a spring, a damper, and a mass connected in parallel, supported by numerical simulations, analytical approximations and experiments. The works is divided into three parts. First we present important aspects of microfluidics, as well as the constitutive equations and an overview of numerical approaches used to describe fluid flow problems with moving interfaces. The second part is devoted to the capillary rise case, intended to validate and to compare the numerical approaches to analytical laws and experimental results. The implementation of the slipping and the dynamic contact angles is discussed. The last part focuses on the dynamics of the liquid bridge. The liquid bridge is confined between two circular and parallel plates and presents an axial symmetry. The description reveals that the stiffness depends on the surface tension and on the shape of the air/liquid interface, the damping coefficient depends on the viscosity and the volume of liquid and the equivalent mass depends on the density and the volume.

Ce mémoire présente une synthèse de travaux de recherche portant sur l'étude et la modélisation d'instabilités de grandes longueurs d'ondes en général et de films liquides tombants en particulier. Les différentes méthodes sont discutées au chapitre~1 et appliquées aux écoulements inertiels en cellule de Hele-Shaw. L'instabilité Kapitza d'un film tombant est étudiée au chapitre~2. Les couplages de l'instabilité Kapitza avec les instabilités Marangoni (films chauffés) et Rayleigh-Plateau (films sur fibres) font l'objet des chapitres~3 et 4. Le chapitre~5 présente mes derniers travaux sur les films non-Newtoniens, en présence d'une paroi poreuse ou encore cisaillés par un écoulement gazeux.

Cette thèse est une étude théorique et expérimentale de l'écoulement d'un fluide dans un cylindre en précession. Elle s'inscrit dans le domaine des écoulements tournants et trouve de nombreuses applications en aéronautique (précession des objets volants avec carburant liquide) et géophysique (influence de la précession terrestre sur la dynamique du noyau externe). Pour des nombres de Reynolds modérés, l'écoulement d'un fluide en précession est une rotation solide à laquelle se superposent des ondes appelées modes de Kelvin. Ces ondes deviennent résonnantes lorsque leur fréquence propre est égale à la fréquence de précession. Afin de prédire l'amplitude d'un mode de Kelvin résonnant, une théorie visqueuse et faiblement non-linéaire a été développée puis confirmée expérimentalement. Lorsque le nombre de Reynolds augmente, l'écoulement de base devient instable. Des mesures PIV ont montré que cette instabilité est due à une interaction entre le mode forcé par la précession et deux modes de Kelvin libres. Une analyse linéaire de stabilité basée sur un mécanisme de résonance triadique entre modes de Kelvin permet de prédire correctement le seuil et le taux de croissance de l'instabilité. Cette instabilité est saturée par un mode géostrophique créé par l'interaction non-linéaire et visqueuse des modes de Kelvin libres avec eux même. En accord avec les expériences, une théorie faiblement non-linéaire montre que les amplitudes des modes de Kelvin sont stationnaires ou oscillantes (cycles intermittents) en fonction du nombre de Reynolds. Finalement, le point fixe des équations non-linéaires (système dynamique à quatre degrés de liberté) prédit correctement l'écoulement moyen à l'intérieur du cylindre, même pour des très grands nombres de Reynolds (i.e. Re > 50000).

On présente une étude expérimentale du contrôle de l'écoulement tourbillonnaire à l'extrados d'une aile delta de 60° de flèche et possédant un bord d'attaque arrondi. Dans une première partie, on analyse les effets des paramètres géométriques sur les propriétés de l'écoulement. La mesure des vitesses moyennes permet en outre de caractériser les propriétés de stabilité linéaire des tourbillons. La seconde partie concerne l'application d'un contrôle basé sur l'injection de jets dont la fréquence et le débit massique sont modulables. Quatre fentes rectangulaires sont disposées le long du bord d'attaque et alimentées par un système rotatif sous pression. Le soufflage pulsé est inefficace à contrôler les propriétés globales de l'écoulement. En revanche, le forçage continu déplace l'éclatement vers l'amont et permet d'augmenter les maxima de l'effort normal et du moment de tangage. De plus, le soufflage dissymétrique génère un moment de roulis conséquent autour de certaines incidences particulières.

Two graphene layers placed in close proximity offer a unique system to investigate interacting electron physics as well as to test novel electronic device concepts. In this system, the interlayer spacing can be reduced to value much smaller than that achievable in semiconductor heterostructures, and the zero energy band-gap allows the realization of coupled hole-hole, electron-hole, and electron-electron two-dimensional systems in the same sample. Leveraging the fabrication technique and electron transport study in dual-gated graphene field-effect transistors, we realize independently contacted graphene double layers separated by an ultra-thin dielectric. We probe the resistance and density of each layer, and quantitatively explain their dependence on the backgate and interlayer bias. We experimentally measure the Coulomb drag between the two graphene layers for the first time, by flowing current in one layer and measuring the voltage drop in the opposite layer. The drag resistivity gauges the momentum transfer between the two layers, which, in turn, probes the interlayer electron-electron scattering rate. The temperature dependence of the Coulomb drag above temperatures of 50 K reveals that the ground state in each layer is a Fermi liquid. Below 50 K we observe mesoscopic fluctuations of the drag resistivity, as a result of the interplay between coherent intralayer transport and interlayer interaction. In addition, we develop a technique to directly measure the Fermi energy in an electron system as a function of carrier density using double layer structure. We demonstrate this method in the double layer graphene structure and probe the Fermi energy in graphene both at zero and in high magnetic fields. Last, we realize dual-gated bilayer graphene devices, where we investigate quantum Hall effects at zero energy as a function of transverse electric field and perpendicular magnetic field. Here we observe a development of v = 0 quantum Hall state at large electric fields and in high magnetic fields, which is explained by broken spin and valley spin symmetry in the zero energy Landau levels. / text

Depuis 2005, il existe un intérêt important dans la communauté internationale de métrologiepour de nouvelles déterminations précises de la constante de Boltzmann kB ; lebut étant de redéfinir en 2015 l'unité internationale de température, le kelvin. Actuellement,cinq techniques sont utilisées pour déterminer kB avec comme objectif d'atteindreune incertitude relative inférieure à 1 × 10−6. La méthode retenue pour cette thèse est latechnique acoustique.La constante de Boltzmann est liée à la vitesse du son u dans un gaz parfait par l'équationdu viriel acoustique. La méthode décrite dans cette thèse consiste à mesurer u en utilisantun résonateur de forme quasi sphérique et de volume intérieur de 0,5 L, rempli d'argon.Ces mesures sont effectuées lors d'un isotherme à la température du point triple de l'eau,T = 273,16 K, pour des pressions statiques P allant de 0,05 MPa à 0,7 MPa. La constantede Boltzmann est ensuite déterminée en estimant u à pression nulle par une régressionpolynomiale.Dans cette thèse, un modèle de propagation des ondes acoustiques dans un résonateur quasisphérique est défini. Aussi, les moyens techniques utilisés pour contrôler soigneusement lesparamètres de l'expérience qui ont un effet sur les mesures de u (comme la température,la pression statique, la composition du gaz, etc) sont présentés. De nouvelles techniquesexpérimentales et des nouveaux moyens d'analyse des données sont proposés, comme lamesure du rayon du résonateur par spectroscopie électromagnétique, mais aussi l'utilisationde l'écart-type d'Allan comme un outil efficace pour étudier la présence d'impuretélors d'une expérience de longue durée. Les effets systématiques sont analysés puis corrigés.Pour certains, la correction est estimée grâce à un modèle analytique, comme l'effet lié auxcouches limites thermiques. Pour d'autres, des corrections basées sur des fonctions empiriquessont proposées ; c'est le cas pour l'effet du débit de gaz continu sur les mesures deu, effet qui est caractérisé expérimentalement dans cette thèse.Enfin, l'analyse des données acquises en 2009 au LCM/LNE-CNAM lors de deux isothermeseffectuées avec de l'argon est présentée. Celle-ci a permis d'obtenir la valeur kB =1, 3806475 (16) × 10−23 J * K−1, c'est à dire avec une incertitude relative de 1, 14 × 10−6.

Ce manuscrit d'HDR comprend trois parties comprenant pour certaines plusieurs chapitres. Mes travaux de recherche depuis le post-dosctorat (2001) jusqu'à 2012 y sont présentés synthétiquement. Ceux-ci concernent les thématiques de microscopie à force atomique en mode non-contact et de microscopie de sonde de Kelvin appliquées à la caractérisation structurale et à la mesure des propriétés électroniques de phases de molécules organiques adsorbées sur des surfaces de sels alcalins sous ultra-vide.

The Madden-Julian Oscillation (MJO), a tropical phenomenon that exists on the time scale of 30-90 days, commonly initiates over the Indian Ocean and slowly propagates into the western Pacific as a series of convective events, which have time scales on the order of hours or days. These events and the overall MJO convective envelope may interact with convectively coupled waves such as Kelvin waves that propagate more rapidly eastward with time scales of 3-5 days. Radar and sounding data collected during the DYNAMO/AMIE/CINDY2011 field campaign from October 2011 to February 2012 in the central Indian Ocean are used to study the interaction between Kelvin waves and the MJO in terms of atmospheric and cloud properties. The focus is on characterizing the precipitation characteristics, convective cloud spectrum, and atmospheric profiles of Kelvin waves during the active and suppressed phases of the MJO to gain insight on MJO initiation. Characteristics of waves identified using different satellite thresholds and filtering methods are compared. Composites of the radar and sounding observations are calculated for a total of ten Kelvin waves and three MJO events that occurred during the field campaign. Analyzed radar products include convective-stratiform classification of rain rate, rain area, and echo-top heights, as well as cloud boundaries. Sounding data includes profiles of wind speed and direction and relative humidity. Kelvin waves that occur during the suppressed MJO are convectively weaker than Kelvin waves during the active MJO, but display previously documented structure of low-level convergence and a moist atmosphere prior to the wave passage. During the active MJO, Kelvin waves have stronger convective and stratiform rain, and the entire event is longer, suggesting a slower moving wave. The Kelvin wave vertical structure is somewhat overwhelmed by the convective envelope associated with the MJO. When the MJO is developing, the Kelvin wave displays a moisture-rich environment after the passage, providing deep tropospheric moisture that is postulated to be important for the onset of the MJO. The convective cloud population prior to MJO initiation shows increased moisture and a population of low- to mid-level clouds. The moisture precedes shallow convection, which develops into the deep convection of the MJO, supporting the discharge-recharge theory of MJO initiation. Additionally, enhanced moisture after the passage of the pre-MJO Kelvin wave could also support the frictional Kelvin-Rossby wave-CISK theory of MJO initiation. With a better understanding of the interaction between the initiation of the MJO and Kelvin waves, the relationships between the environment and the onset of the convection of the MJO can be improved.

This thesis is comprised of two main parts: Monotonicity results on discrete fractional operators and discrete fractional rheological constitutive equations. In the first part of the thesis, we introduce and prove new monotonicity concepts in discrete fractional calculus. In the remainder, we carry previous results about fractional rheological models to the discrete fractional case. The discrete method is expected to provide a better understanding of the concept than the continuous case as this has been the case in the past. In the first chapter, we give brief information about the main results. In the second chapter, we present some fundamental definitions and formulas in discrete fractional calculus. In the third chapter, we introduce two new monotonicity concepts for nonnegative or nonpositive valued functions defined on discrete domains, and then we prove some monotonicity criteria based on the sign of the fractional difference operator of a function. In the fourth chapter, we emphasize the rheological models: We start by giving a brief introduction to rheological models such as Maxwell and Kelvin-Voigt, and then we construct and solve discrete fractional rheological constitutive equations. Finally, we finish this thesis by describing the conclusion and future work.

In this thesis the properties of proteins and membranes are studied by molecular dynamics simulations. The subject is decomposed into parts addressing free energy calculations in proteins, mechanical inclusion models for lipid bilayers, phase transitions and structural correlations in lipid bilayers and atomistic lipid bilayer models. The work is based on results from large scale computer simulations, quantum mechanical and continuum models. Efficient statistical sampling and the coarseness of the models needed to describe the ordered and disordered states are of central concern. Classical free energy calculations of zinc binding, in metalloproteins, require a quantum mechanical correction in order to obtain realistic binding energies. Classical electrostatic polarisation will influence the binding energy in a large region surrounding the ion and produce reasonable equilibrium structures in the bound state, when compared to experimental evidence. The free energy for inserting a protein into a membrane is calculated with continuum theory. The free energy is assumed quadratic in the mismatch and depend on two elastic constants of the membrane. Under these circumstances, the free energy can then be written as a line tension multiplied by the circumference of the membrane inclusion. The inclusion model and coarse grained particle simulations of the membranes show that the thickness profile around the protein will be an exponentially damped oscillation. Coarse-grained particle simulations of model membranes containing mixtures of phospholipid and cholesterol molecules at different conditions were performed. The gel-to-liquid crystalline phase transition is successively weakened with increasing amounts of cholesterol without disappearing even at a concentration of cholesterol as high as 60%. A united atom parameterization of diacyl lipids was constructed. The aim was to construct a new force field that retains and improves the good agreement for the fluid phase and at the same time produces a gel phase at low temperatures, with properties coherent with experimental findings. The global bilayer tilt obtains an azimuthal value of 31◦ and is aligned between lattice vectors in the bilayer plane. It is also shown that the model yield a correct heat of melting as well as heat capacities in the fluid and gel phase of DPPC. / <p>QC 20140919</p>