Les technologies de type laboratoire sur puce (« lab on chip » LOC) mettent à profit la miniaturisation pour réaliser production, traitement, et analyse physico-chimiques sur un même substrat de petite taille avec comme résultat des dispositifs portables, plus rapides, demandant de plus petites quantités de réactifs, produits et opérés à plus faible coût. Les produits et les applications développés pour tirer profit de ces avantages ont le potentiel de transformer plusieurs secteurs comme ceux de la médecine et de la surveillance environnementale. Les mesures de calorimétrie revêtent un intérêt particulier pour l’intégration aux plateformes de type LOC notamment parce que la production de chaleur est un phénomène ubiquitaire. Or, cette intégration repose avant tout sur la capacité de produire des dispositifs miniaturisés suffisamment performants et compatibles avec la construction des plateformes LOC. La calorimétrie miniaturisée est un champ relativement peu développé même si, comme à l’échelle conventionnelle, elle permet d’obtenir des informations utiles pour la compréhension des phénomènes de transformations de la matière. Or, la calorimétrie miniaturisée fait face à un défi de taille. La taille réduite des échantillons résulte inévitablement en une diminution de la quantité de chaleur à mesurer. Possiblement pour faire face à cette limite, la grande majorité des calorimètres miniaturisés adopte une configuration planaire, car le positionnement du système cellule calorimétrique-échantillon sur membrane a pour effet de maximiser leur sensibilité. La configuration membranaire réduit la conduction thermique à travers le substrat ce qui, à puissance égale, résulte en davantage de signal. Cette configuration demande toutefois certains compromis. Elle pousse par exemple à construire les thermopiles à partir de films de plus en plus minces afin d’éviter d’annuler les gains. Or, des effets de « film mince », sont observés qui dégradent significativement les propriétés attendues des matériaux. Les gains apportés par la configuration membranaire peuvent aussi être annulés par la conduction thermique hors substrat qui est très sensible à la géométrie de la source de chaleur ainsi qu’aux conditions ambiantes. Ces deux phénomènes affectent significativement la sensibilité des calorimètres miniaturisés et peuvent résulter en une diminution de la précision des mesures. Dans le premier cas, on estime à 20-30% l’erreur évitée; dans le second cas, on estime à près de 30% l’erreur évitée. Les contributions présentées dans cette thèse proposent des moyens d’améliorer la précision des calorimètres miniaturisés, en renforçant la compréhension des compromis fondamentaux à négocier dans la conception de tels dispositifs et d’établir un « modèle » pour prédire avec une plus grande fidélité la performance de calorimètres miniaturisés à partir des paramètres de l’architecture. On peut donc plus précisément évaluer le potentiel de différents designs de calorimètres miniaturisés et explorer la manière de faire des calorimètres miniaturisés de bons candidats à l’intégration sur les plateformes LOC, que ce soit sur structure membranaire ou d’autres substrats.

On a longtemps cru que les régions de l'espace séparant deux étoiles constituaient un milieu quasiment vide. En fait, il n'en est rien et on sait maintenant qu'elles renferment de vastes nuages de gaz essentiellement composés d'hydrogène atomique, de dihydrogène et de monoxyde de carbone CO. On a longtemps pensé également que, du fait des conditions physicochimiques très particulières qui prévalent dans ces nuages interstellaires (faibles températures, faibles densités de matière, champs de radiations élevés dus à  la présence d'étoiles proches) il était peu probable que des processus chimiques puissent s'y dérouler et des molécules y survivre. On sait désormais que ce n'est pas le cas et qu'une chimie complexe et riche peut se développer. A ce jour, près de deux cent espèces chimiques différentes ont été détectées dans les milieux interstellaire et circumstellaire. La physico-chimie menant à  la formation de nouvelles molécules, même les plus complexes, peut avoir lieu en phase gazeuse et aussi à la surface des grains interstellaires. C'est à ce second aspect que je me suis principalement intéressée.Ce travail de thèse de doctorat est une étude expérimentale de l'interaction et de la formation de molécules sur différents types de surfaces simulant les grains de poussière présents dans le milieu interstellaire (silicates et/ou diverses morphologies de glace d'eau qui les couvrent dans les nuages denses froids). Dans ce but, plusieurs expériences sont faites en utilisant le dispositif expérimental FORMOLISM qui réunit des techniques de l'ultravide, de la cryogénie, des jets atomiques et moléculaires ainsi que la spectrométrie de masse.Dans ce travail, j'étudie expérimentalement la formation de l'eau via l'hydrogénation de l'ozone dans des conditions similaires à celles des nuages moléculaires denses (couverture de glace d'eau sur des grains à 10 K). Nos résultats confirment les prédictions théoriques et montrent que l'ozone est bien une des voies possibles, très efficace pour la formation de l'eau, en plus de celles de O et O2. Ce résultat est interprété par l'absence de barrière pour cette réaction.Dans une autre série d'expériences je présente des résultats sur les énergies d'adsorption/désorption de deux isomères, l'éthanol (EtOH) et le diméthyl-éther (DME), sur une surface de silicates couverte ou non de glace d'eau, à basse température. Les résultats obtenus sont comparés aux calculs théoriques sur la stabilité thermodynamique de ces deux isomères, le plus stable (EtOH) interagissant de manière plus efficace avec la glace d'eau que l'isomère (DME) qui a une énergie d'adsorption plus faible. Ce résultat apparait lié au fait que l'éthanol a une plus forte liaison hydrogène avec la surface de la glace. Il peut permettre d'expliquer l'abondance préférentielle du DME observée dans certains milieux circumstellaires. / It has been long believed that regions of space between two stars were an almost empty environment. In fact, it is not the case and we know now that it contains vast gas clouds mainly containing atomic hydrogen, dihydrogen and carbon monoxide CO. It was long thought also that because of the very specific physicochemical conditions prevailing in these interstellar clouds (low temperature, low density material, high radiation fields due to the presence of nearby stars) it was unlikely that chemical processes could take place and molecules could survive. We know now that this is not the case and that a rich and complex chemistry can develop there. To date nearly two hundred different chemical species have been detected in the interstellar and circumstellar medium. The physical-chemistry leading to the formation of new molecules, even complex ones, can occur in the gas phase as well as on the surface of interstellar grains. I have been mainly interested in this second aspect.This PhD thesis is an experimental study of the interaction and of the formation of molecules on different surfaces simulating the dust grains present in the interstellar medium (silicates and/or various morphologies of water ice covering them in cold dense clouds). For this purpose, several experiments are performed using the FORMOLISM experimental setup, bringing together several techniques and methods (ultrahigh vacuum, cryogenics, atomic and molecular beams and mass spectrometry).In this work, I am studying the formation of water via the hydrogenation of ozone under conditions similar to those of dense molecular clouds (water ice covered grains at 10 K). Our results confirm theoretical predictions and show that ozone is one possible very efficient way to form water, in addition to the O and O2 pathways. This result can be interpreted by the existence of a barrier-free reaction.In another set of experiments, I present results on the energies of adsorption/desorption of two isomers, ethanol (EtOH) and dimethyl-ether (DME) on a surface of silicates covered or not with water ice, at low temperature. The results are compared with theoretical calculations on the thermodynamic stability of both isomers, the most stable (EtOH) interacting more efficiently with the ice water than the isomer (DME) which has a lower adsorption energy. This result appears related to the fact that ethanol has a stronger hydrogen bond with the surface of the ice. It may help to explain the observed preferential abundance of DME in some circumstellar medium.

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

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

Ce travail de recherche est centré sur l’électromouillage sur diélectrique (EWOD) et l’emploi de surfaces superhydrophobes dans une optique d’intégration dans un système microfluidique en gouttes. Dans un premier temps, nous détaillons la réalisation de surfaces présentant différentes échelles de rugosités : micro-, nano- et micro/nanotexturées. Leur robustesse à l'imprégnation d'un liquide soumis à pression extérieure est étudiée. Deux techniques sont mises en œuvre, l’impact de goutte et l’EWOD. Les surfaces à double échelle de rugosité montrent une meilleure robustesse (>13kPa). Cependant, une surface de nanofils de silicium présente des seuils d’empalement à l’état de l’art (>17kPa) et une réversibilité complète sous EWOD. Dans un second temps nous caractérisons le déplacement de gouttes par EWOD au sein d’un système microfluidique et mettons en évidence l’influence des surfaces superhydrophobes (par rapport à des surfaces hydrophobes). Nous obtenons pour une tension donnée, des vitesses de déplacement supérieures (+30%), pour une vitesse donnée, une tension d’actuation réduite (-30%), ainsi que des contraintes de cisaillements proche paroi plus importantes. Enfin, ces propriétés sont mises en avant à travers deux applications que sont la collecte de bio-particules et l’analyse par spectrométrie de masse de biomolécules présentes en solution. Dans le premier cas, une efficacité de collecte proche de 100% est obtenue que ce soit pour des virus ou des spores. Dans le second cas, nous avons pu analyser des concentrations de peptides jusque 10fmol dans des zones localisées ainsi qu’un très faible niveau de pollution en dehors de ces zones. / This work deals with electrowetting on dielectric (EWOD) technique and integration of superhydrophobic surfaces in a droplet-based microfluidic device. The first part of the thesis consists on the preparation of micro-, nano- and micro-nano-structured surfaces, and a detailed study of their robustness to impalement under electrowetting and drop impact. Hierarchical surperhydrophobic surfaces showed the best robustness to impalement. However, a silicon nanowires surface has shown an impalement threshold still in the state of art with a total reversible behavior under EWOD. In a second approach, we characterized droplet displacement using electrowetting in a microfluidic system and evidenced the influence of superhydrophobic surfaces compared to hydrophobic ones. For a given actuation voltage, the droplet motion is increased by +30% and for a given droplet motion, the actuation voltage is reduced by -30%. Moreover, wall shear stresses are more important. Finally, these properties are featured through two main applications: particles collection and bio-molecules analysis by matrix-free laser desorption/ionization mass spectrometry. For particles collection, a cleaning efficiency close to 100% either for virus or bacteria particles was reached using superhydrophobic surfaces. For lab-on-chip application, a detection limit of 10 fmol was obtained for peptides analysis using mass spectrometry.

Cette thèse présente les résultats d'une étude expérimentale et théorique sur la stabilité non-linéaire des écoulements hydrodynamiques en rotation différentielle. Une analyse de mesures antérieures à ce travail effectuées dans des expériences de laboratoire de type Couette-Taylor nous a permis de dériver un critère de stabilité ainsi qu'une prescription du type viscosité turbulente pour le transport du moment cinétique. L'étude expérimentale complémentaire que nous avons menée nous a permis de mettre en évidence des régimes de rotation instables vis à vis de perturbations aux amplitudes finies, qui demeuraient jusqu'a maintenant inexplorés. Nous présentons également quelques propriétés des écoulements moyens turbulents ainsi que des fluctuations de vitesse, en particulier leur évolution en fonction du nombre de Reynolds. Par des arguments physiques simples, nous dérivons des paramètres de stabilité, des lois d'évolution des fluctuations turbulentes, ainsi qu'une expression de la viscosité turbulente compatible avec notre première prescription. Finalement, nous concluons par une application de cette viscosité à un modèle simple de disques d'accrétion.

La cartographie des sols est d’une importance particulière pour bien comprendre leurs organisations, localisation, distribution spatiale, ainsi que leurs caractéristiques. Comprendre l’interrelation entre ces variables est une étape critique pour concevoir l’équilibre complexe des processus chimiques et physiques pour rendre, notamment, les écosystèmes agricoles plus productifs. Cette recherche explore le potentiel de la synergie entre les analyses au laboratoire, le GPS, les SIG et les méthodes d’interpolations déterministes (Spline et Inverse-Distance connue sous le nom IDW) et probabilistes (Krigeage ordinaire et Krigeage universel) pour cartographier les types de sols dans un environnement semi-aride. Pour atteindre nos objectifs, nous avons échantillonnés 254 points répartis de façon presque régulière en considérant toutes les classes de sols couvrant notre site d’étude.

La cartographie des sols est d’une importance particulière pour bien comprendre leurs organisations, localisation, distribution spatiale, ainsi que leurs caractéristiques. Comprendre l’interrelation entre ces variables est une étape critique pour concevoir l’équilibre complexe des processus chimiques et physiques pour rendre, notamment, les écosystèmes agricoles plus productifs. Cette recherche explore le potentiel de la synergie entre les analyses au laboratoire, le GPS, les SIG et les méthodes d’interpolations déterministes (Spline et Inverse-Distance connue sous le nom IDW) et probabilistes (Krigeage ordinaire et Krigeage universel) pour cartographier les types de sols dans un environnement semi-aride. Pour atteindre nos objectifs, nous avons échantillonnés 254 points répartis de façon presque régulière en considérant toutes les classes de sols couvrant notre site d’étude.

La cartographie des sols est d’une importance particulière pour bien comprendre leurs organisations, localisation, distribution spatiale, ainsi que leurs caractéristiques. Comprendre l’interrelation entre ces variables est une étape critique pour concevoir l’équilibre complexe des processus chimiques et physiques pour rendre, notamment, les écosystèmes agricoles plus productifs. Cette recherche explore le potentiel de la synergie entre les analyses au laboratoire, le GPS, les SIG et les méthodes d’interpolations déterministes (Spline et Inverse-Distance connue sous le nom IDW) et probabilistes (Krigeage ordinaire et Krigeage universel) pour cartographier les types de sols dans un environnement semi-aride. Pour atteindre nos objectifs, nous avons échantillonnés 254 points répartis de façon presque régulière en considérant toutes les classes de sols couvrant notre site d’étude.

Thesis (doctoral)--Karolinska Institutet, Stockholm, 1989. / Extra t.p. with thesis statement inserted. Includes bibliographical references.