Dynamic atomistic description of bio-inorganic interfaces represents a challenging problem for contemporary computational chemistry. A detailed analysis of processes occurring on the interface between biomolecule and inorganic material can help our understanding of various processes, ranging from chromatography and protein separation to protein immobilization techniques and their effect on enzyme activity or protein conformational stability. High complexity of bio- inorganic interfaces prevents detailed investigation using accurate, but computationally demanding ab initio methods. Since reliable empirical potentials are not available for these systems, the aim of this work is to develop force fields based on ab initio data as well as a general methodology for parameterization of such force fields. Our potential fitting procedure was carried out in an automated fashion based on molecular dynamics simulation. The resulting potentials were applied for investigation of inorganic material's influence on polypeptide conformations.

Un des plus importants challenges scientifique de notre époque, est de trouver des réponses et solutions pour les questions et problèmes différents concernant la consommation d'énergie d'humanité. Les études scientifiques sur l'utilisation des ressources renouvelables spécialement d'énergie solaire gagnent en importance. Dans la biosphère conversion d'énergie solaire est accompli par des organismes photosynthétiques. Photosynthèse, spécialement ses mécanismes différents de régulation sont loin d'être compris. Les membranes thylacoïdales possèdent un rôle central dans la photosynthèse. Dans cette thèse nous étudions les paramètres structuraux des membranes thylacoïdales isolé des plants ou dans les algues avec la diffusion de neutrons aux petits angles et la dynamique des fragments des membranes thylacoïdales (BBY) avec diffusion élastique incohérente des neutrons. Des résultats présentés ici, présentent évidence pour l'occurrence des réorganisations petites mais bien discernables des membranes thylacoïdales pendent la photosynthèse et pour une transition dans les membranes BBY à les températures physiologiques et aussi présentent des exemples pour l'utilisation possible de diffusion neutronique pour l'investigation des échantillons biologiques in vivo. / One of the most important scientific challenges of our time is to find answers and solutions for the various questions and problems about the energy consumption of humanity. Scientific studies on the utilization of renewable resources, especially of solar energy, gain more and more importance. In the Biosphere, solar energy conversion to chemical energy is performed by photosynthetic organisms. Photosynthesis, especially its different regulatory mechanisms is far from being understood. Thylakoid membranes possess a central role in photosynthesis. In the present thesis we investigate structural parameters of the thylakoid membranes, isolated from higher plants and in different algal cells, with small-angle neutron scattering, and the dynamics of isolated thylakoid membrane fragments with elastic incoherent neutron scattering. The presented results, in addition to providing clear evidence for the occurrence of small but well discernible membrane reorganizations in thylakoid membranes during photosynthesis, and for a transition in BBY membranes at physiological temperatures, also present example of possible application of neutron scattering for the investigation of in vivo biological samples.

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The strength of the ultrafine-grained materials is increased with grain refinement, but it will also reduce the ductility. In the previous study, there are higher strength and better ductility for the copper with bimodal distribution of grain size. In this study, Ni with lamellar structure is fabricated by electrodeposition in order to explore the mechanical properties of the materials with bimodal distribution of grain size, which is obtained by controlling the grain size. From the result of EBSD analysis, it shows that the area ratio of coarse grains and fine grains is from 0.3 to 3 by changing the plating parameters. The average grain size of fine grains is about 0.5 £gm, and the maximum average grain size of coarse grains is up to 6.0 £gm. From the result of tensile test, the materials with 35% of micro-grains embedded regularly inside a matrix of ultrafine grains have better strength and ductility. When the area ratio of micro-grains is up to 62.5%, there is no difference in mechanical properties between the general electrodeposited materials and ones with bimodal distribution of grain size. For pure Ni, the enhancement of ductility for bimodal distribution of grain size is only in post uniform elongation. Otherwise, it is found that the strength and ductility of the material with lamellar structure are increased through the heat treatmeant under the appropriate temperature.

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Dans le contexte d’une miniaturisation des circuits imprimés dans l’industrie de la microélectronique, les méthodes de structuration optiques appelées photolithographies arrivent en limite de résolution. L’utilisation complémentaire de l’auto-assemblage dirigé (DSA) de copolymère à blocs (CPB) permet de repousser les dimensions critiques (CD) atteignables tout en multipliant la densité des structures obtenues. Ces matériaux peuvent en effet former des motifs géométriques biphasés et périodiques de dimensions inférieures à la vingtaine de nanomètre. Rapides, bas coût et compatibles avec les équipements déjà disponibles dans l’industrie, les différents procédés DSA pour application ligne/espace développés dans la littérature se heurtent néanmoins à des problématiques de défectivité, de rugosité et d’uniformité des dimensions transférées. La plupart des solutions envisagées se font au détriment des arguments de base en faveur du DSA, notamment en ce qui concerne sa compatibilité avec la lithographie actuellement utilisée dans l’industrie. Dans ce contexte, le travail de thèse présenté ici s’attachera à étudier et solutionner les différentes problématiques liées à l’utilisation en graphoépitaxie du DSA comme solution complémentaire à la lithographie conventionnelle. Cette thèse centrée sur le matériau PS-b-PMMA s’est tout d’abord attachée à la compréhension des mécanismes impliqués dans la structuration de ces domaines lamellaires dans deux environnements. En configuration plane tout d’abord, l’impact des paramètres dictant la morphologie, l’orientation et la défectivité du CPB est étudié. La cinétique d’organisation des micro domaines peut alors être optimisée pour obtenir des motifs les mieux définis et les plus stables possibles, en un minimum de temps. Des optimisations matériaux proposées par la société partenaire ARKEMA sont évaluées comme prometteuses, et l’importance du contrôle de l’atmosphère sur le comportement du CPB en température est étudiée. En utilisant ces premiers acquis, le matériau est utilisé pour réaliser la densification de motifs « guides » ligne/espace préalablement réalisés par lithographie optique. L’étude de la morphologie adoptée par le polymère en fonction des multiples paramètres du guide (dimension, chimie d’interface, taux de remplissage…) permet de délimiter des fenêtres de fonctionnement pour un procédé stable sur plaque 300mm. La dimension de ces fenêtres est confirmée par une étude statistique suivant les métriques de défectivité et de rugosité, mesurées par un protocole de métrologie développé pendant cette thèse. Cette première étude a fait l’objet d’une publication d’un papier. Dans un effort de démonstration de l’intérêt de ce procédé, son intégration dans un empilement de réalisation de transistors en nanofils est réalisée. De premiers essais de transfert révèlent des problématiques de défectivités locales jusqu’alors masquées par l’épaisseur du film. Les méthodes de transferts disponibles étant incapables de corriger ces défauts, une variante du procédé DSA est développée. Elle repose sur la possibilité de modifier sélectivement les énergies de surfaces par application d’une dose contrôlée de lumière UV. Une étude associant à la fois la modification de la morphologie du PS-b-PMMA et la composition du matériau (suivie par spectroscopie infrarouge) en fonction de cette dose d’insolation révèle qu’un phénomène de photo-oxydation est responsable de ces phénomènes. Grâce à cette méthode, qui fait l’objet d’une publication en cours de soumission, les surfaces directement en contact avec le CPB sont modifiées de façon à le contraindre à adopter des configurations morphologiques sans défauts enterrés. Ce résultat est confirmé par les différentes étapes de transfert qui permettent de réaliser les nanofils désirés avec des dimensions maîtrisées. Des problématiques d’uniformité de remplissage sont toutefois adressées car elles restent un obstacle des nanofils uniformes à travers une plaque 300mm. / There is a fixed limit to the maximum resolution the photolithography can provide in the context of the integrated circuit’s size reduction encouraged by the microelectronic industry. The Directed Self-Assembly (DSA) of bloc copolymers (BCP) can be used as a complementary technique enabling smaller critical dimensions of features (CD) obtained by density multiplication of initial, loose i193 lithography patterns. These materials can undergo specific phase separation to self-assemble into periodic, sub-20nm ordered nanostructures.Fast, cost-efficient and highly compatible with equipment and techniques already in use in the industry for line/space (L/S) applications, the different DSA processes found in literature still suffer from defectivity, roughness and CD uniformity (CDU) issues. Most successful solutions are made possible at the loss of some of the most appealing DSA features, mainly its compatibility with current i193 lithography. In this context, the work of this thesis studied and proposed innovative solutions to the problematics posed when using graphoepitaxy as the DSA complementary technique.This work presented therein - revolving around a 38nm period lamellar PS-b-PMMA material - first tried to comprehend the mechanisms involved in the self-assembly of lamellae in one of two environment: flat configuration and 3D, graphoepitaxy configuration. In the former, a study of the parameters dictating the morphology, orientation and defect levels of the BCP was performed. This provides a mean to optimize the kinetics of self-assembly to last less than five minutes while enabling stable and reproducible morphology. Materials optimization and atmosphere composition’s impact during annealing is also discussed. This initial knowledge is then used to perform the density multiplication of L/S guiding pattern using conventional optical lithography at Leti. The study of the lamellae morphology as a function of the multiples guiding patterns’ parameters (CD, interface chemistries, thickness levels…) provides fixed process windows (PW) for a stable process over a 300mm wafer. The shape and size of these PWs is further confirmed by a statistic study of defectivity and roughness metrics as defined by a specific metrology protocol developed during this thesis. This work has led to the publication of a paper.In an effort to demonstrate its relevance in the industry, full integration of this DSA process is carried out in pursuit of functional stacked nanowire (NW) transistors acquisition. First etching tests failed though, as they revealed unknown defective formation of the lamellae at the buried interface. The etching process Leti available at Leti proved enable to compensate for these local variations of transfer features. Consequently, a new iteration of the DSA process is presented. It consists in using UV light exposure to selectively shift the interfacial energies of the guiding patterns’ surfaces. A study of the shift in both the observed lamellae morphology and the composition of the material (followed by Infrared Spectroscopy) as a function of the UV dosage is performed. It identifies a photo-oxidation mechanism which can be finely tuned to independently promote defect-free alignment of the BCP lamellae with any of the guiding pattern surfaces. This work, currently awaiting publication, is further verified by the different etching steps achieving monocrystalline silicon nanowires of controlled dimensions. The associated transistors are now being submitted to electrical characterization. Full wafer uniformity of features is a work in progress however, as BCP thickness filling of guiding patterns is still highly dependent on their density.

Orientador: Liliane Maria Ferrareso Lona / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-19T09:07:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_RodrigoDuarte_M.pdf: 10171342 bytes, checksum: d8c5c116297d9e1edee32a935dfb816c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O objetivo deste trabalho foi sintetizar nanocompósitos poliméricos (NCPs) contendo Hidróxidos Duplos Lamelares (HDLs) por meio da técnica de polimerização em miniemulsão. O copolímero poli(acrilato de n-butila-co-metacrilato de metila) P(BA-co- MMA) foi escolhido como matriz dos NCPs devido à sua importância comercial na formulação de adesivos sensíveis à pressão (PSA). Os HDLs organicamente modificados disponíveis comercialmente Perkalite F100S, Perkalite A100 e Perkalite AF50 foram usados como agentes de reforço dos nanocompósitos. A metodologia utilizada foi semelhante a metodologia utilizada para produção de NCPs contendo argilas catiônicas pela polimerização em miniemulsão, na qual a carga mineral é adicionada à fase orgânica antes da produção das miniemulsões. Os látices obtidos foram caracterizados por: Difração de Raios-X (DRX), Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Termogravimétrica (TG) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) / Abstract: The aim of this work was the synthesis of polymeric nanocomposites (PNCs) filled with Layered Double Hydroxides (LDHs) through miniemulsion polymerization. The copolymer poli(n-butyl acrylate-co-methyl methacrylate) P(BA-co-MMA) was chosen to form the matrix because it is a commercially important component in the formulation of pressure sensitive adhesives (PSA). The commercial available organically modified LDHs Perkalite F100S, Perkalite A100 and Perkalite AF50 were used as fillers. The methodology used was similar to the one used to produce PNCs filled with cationic clays through miniemulsion polymerization, where the inorganic charge is added to the organic phase before the preparation of the miniemulsion. The latexes prepared were characterized by: X-Ray Diffraction (XDR), Dynamic Light Scattering (DLS), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TG) and Transmission Electron Microscopy (TEM) / Mestrado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Mestre em Engenharia Química

L’émulsifiant est une matière première largement utilisée dans les systèmes formulés de type émulsion. Grâce à sa structure chimique amphiphile, cette molécule diminue la tension interfaciale entre les deux liquides non miscibles qui composent une émulsion, ce qui augmente la stabilité du système dans le temps. En plus, à cause de sa structure, il peut former des cristaux liquides dans les systèmes formulés, ce qui impacte considérablement les propriétés physico-chimiques et applicatives des émulsions. Ce projet vise l’étude d’un tensioactif mixte naturel alkyl polyglucoside/alcool gras. Les propriétés de celui-ci ont été d’abord investiguées via la construction du diagramme de phase. Ainsi, il a été démontré que la variation de la concentration et du ratio alkyl polyglucoside/alcool gras dans l’émulsifiant mixte favorise le passage de solutions micellaires vers les cristaux liquides de types lamellaire ou hexagonale dans les systèmes étudiés. La maitrise des propriétés des systèmes binaires a permis, par la suite, de comprendre les métamorphoses subies par le système lorsqu’une phase grasse est incorporée. La structure chimique des émollients (présence des hétéroatomes) affecte l’organisation des cristaux liquides formés par les molécules amphiphiles. Par conséquent, en fonction de l’émollient utilisé, les propriétés microscopiques et macroscopiques des systèmes changent (taille et distribution des gouttelettes, profil rhéologique, thermique et de texture). Finalement, les propriétés applicatives des émulsions sont aussi affectées, comme cela a été montré via l’analyse sensorielle et les mesures biométriques in-vivo. / Emulsifier is a raw material widely used in formulated systems of emulsion type. Due to its amphiphilic chemical structure, this molecule decreases the interfacial tension between two immiscible liquids that form an emulsion, which increases the stability of the system over time. In addition, it can form liquid crystals in the formulated systems because of its structure and this has a considerable impact on the physicochemical and applicative properties of emulsions. The objective of this project is to study a natural alkyl polyglucoside/fatty alcohol mixed surfactant. Its properties were first investigated via the construction of the phase diagram. Thus, it has been shown that the variation of the concentration and of the ratio of alkyl polyglucoside/fatty alcohol in the mixed emulsifier favors the transition between the micellar solutions towards liquid crystals of lamellar or hexagonal type in the studied systems. Next, the mastering of the binary systems properties allowed understanding the metamorphoses undergone by the system when an oil phase is incorporated into it. The chemical structure of emollients (presence of heteroatoms) affects the organization of liquid crystals formed by the amphiphilic molecules. Therefore, depending on the emollient type, the microscopic and macroscopic properties of the systems change (droplet sizes and distribution, rheological, thermal and texture profile). Finally, the applicative properties of emulsions are also affected, as shown by sensory analysis and in-vivo biometric measurements.