Il existe une très forte demande en biocapteurs pour la détection d’agents pathogènes dans le domaine environnemental et médical. Dans ce contexte, le contrôle de l’état de surface des biocapteurs joue un rôle crucial. Les monocouches auto-assemblées (Self-Assembled Monolayers, SAMs) permettent de fonctionnaliser de manière homogène et reproductible ces surfaces. Ces SAMs sont généralement obtenues à partir d’agents de couplage siliciés à longue chaîne alkyle. Mais, ces composés sont souvent difficiles à synthétiser et à purifier en raison de leurs faibles solubilités dans les solvants organiques. C’est pour cela que nous avons proposé d’introduire une fonction polaire (amide ou urée) au sein de ces films. Ces fonctions permettent également un auto-assemblage des molécules sur le substrat au moyen de liaisons hydrogène entre les molécules. Les nouvelles monocouches fonctionnelles ont été caractérisées entre autres par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) ce qui a permis d’identifier les différents groupes moléculaires. Ces monocouches ont aussi montré leurs capacités à immobiliser une molécule biologique (Protéine A). / There is an increasing demand for biosensors to detect pathogens in environmental and medical fields. In this context, the control of the surface properties plays an important role. Self-Assembled Monolayers (SAMs) allow to functionalize these surfaces homogeneously and reproducible. SAMs on silicon based surfaces are usually obtained from silylated coupling agents with long alkyl chain. However, these compounds are often difficult to purify owing to their low solubility in organic solvents. That’s why we proposed to introduce a polar function (amide or urea) in the molecular structure. These precursors were also capable of association by H-bonds and offer possibilities to control the organic assembly on the surfaces. The new functional monolayers were characterized by Polarization Modulation Infrared Reflection Adsorption Spectroscopy (PM-IRRAS) and others techniques such as XPS and contact angle in order to identify the different molecular groups on the surface. These functionalized monolayers have also shown their ability to immobilize biomolecules (Protein A).

Ce travail concerne l'étude du polymorphisme, de la dynamique et des transitions de phases de cinq dérivés de l' adamantane : 1-fluoroadamantane, 1-adamantaneméthanol, 1,3-diméthyladamantane, 1,3-dibromoadamantane et 1,3-adamantanediol.Les diagrammes pression -température ont été établis pour la majorité de ces dérivés. Ces matériaux peuvent présenter une, voire plusieurs, transitions de phases. Le 1-fluoroadamantane, le 1,3-diméthyladamantane et le 1,3-adamantanediol possèdent une phase plastique avant fusion.Les structures de toutes les phases non plastiques ont été résolues principalement à partir de diagrammes de diffraction des rayons X sur poudre. Celles du 1,3-dibromoadamantane, et du 1,3-diméthyladamantane sont ordonnées. L'existence d'un désordre statistique concernant l'occupation du site d'un atome a été montrée pour les autres phases. L'atome de fluor du 1-fluoroadamantane peut occuper 4 (phases III et II) ou 8 sites (phase I). Dans le cas de la phase I du 1-adamantaneméthanol et de la phase II du 1,3-adamantanediol, la symétrie du réseau implique que l'atome d'hydrogène lié à l'oxygène se partage sur deux sites.Deux mécanismes de transition ordre-désordre par une relation de groupe à sous-groupe ont été montrés pour le cas du 1-fluoroadamantane et du 1-adamantaneméthanol en utilisant des techniques expérimentales complémentaires (DSC, DRX, RAMAN, GSH...). Le paramètre d'ordre de la transition résulte de la variation continue en fonction de la température de l'inclinaison du dipôle C-F pour le premier et, de la diminution de l'angle beta de la phase monoclinique jusqu'à 90°, pour le second.La dynamique moléculaire dans le cas du 1-fluoroadamantane a été étudiée par spectroscopie diélectrique. L'existence d'une double relaxation associée à deux mouvements de réorientations compatibles avec le réseau et la symétrie a été révélée. / This work deals with the study of the polymorphism, dynamics and phases transitions of five adamantane derivatives : 1-fluoroadamantane, 1-adamantanemethanol, 1,3-dimethyladamantane, 1,3-dibromoadamantane and 1,3-adamantanediol.Pressure-Temperature phase diagrams have been established for the majority of these derivatives. These materials may have one or more phase transitions. Plastic phases are observed before melting for 1-fluoroadamantane, 1,3-dimethyladamantane and 1,3-adamantanediol.The structures of all the non plastic phases have been solved, mainly from powder X-ray diffraction patterns. It is shown that 1,3-dibromoadamantane and 1,3-dimethyladamantane structures are ordered. Statistical disorder concerning the occupation of the site of one atom has been revealed in the other structures. The fluorine atom in 1-fluoroadamantane has four (phase III and II) or eight (phase I) possible equivalent sites. Due to the crystal symmetry of 1-adamantanemethanol (phase I ) and 1,3-adamantanediol (phase II), the hydrogen atom related to the oxygen atom is spitted on two sites.Two mechanisms of continuous order-disorder transitions through a group-subgroup relationship have been shown for the case of 1-fluoroadamantane and 1-adamantanemethanol using complementary experimental techniques (DSC, XRD, RAMAN, SHG ...). The order parameter of the transition results, by a continuous variation of the orientation of the C-F dipole for the first and, for the second, the continuous variation of the beta monoclinic angle down to 90°.Molecular dynamics in the case of 1-fluoroadamantane has been studied using dielectric spectroscopy. We have highlighted the existence of a double relaxation associated with two movements of reorientations compatible with the network and the symmetry.

La compréhension de la plus grande stabilisation des molécules biologiques par un disaccharide<br />tel que le tréhalose par rapport à d'autres excipients fait l'objet de recherches accrues. Nous<br />avons étudié l'influence du tréhalose et de deux autres stéréoisomères, le maltose et le sucrose,<br />sur la structure et sur la dynamique de l'eau et d'une protéine globulaire modèle, le lysozyme. Nous<br />avons montré que le tréhalose induit une plus grande déstructuration du réseau de liaisons hydrogène (LHs)<br />de l'eau que le maltose et le sucrose, au-delà d'une concentration de 40-50 %, à laquelle le réseau<br />de LHs des sucres percole. En outre, le nombre d'hydratation des sucres et le<br />nombre de LHs sucre-sucre suggèrent que les solutions aqueuses de tréhalose sont plus "homogènes",<br />pour des concentrations entre 33 et 66 % pds. Nous avons également localisé les zones<br />d'interaction des sucres avec le lysozyme et montré par spectroscopie Raman que le tréhalose le stabilise<br />davantage.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se décomposent en deux thèmes principaux, eux-même subdivisés enplusieurs projets. D'une part, des travaux ont été menés concernant l'analyse et le développement de fonctionnelles " doubles hybrides ". Une analyse des fonctionnelles " doubles hybrides " à séparation linéaire le long de la connexionadiabatique a été proposée. Une nouvelle fonctionnelle " double hybride " à séparation de portée basée sur uneséparation alternative de l'énergie d'échange et de corrélation, RSDHf, a été développée. D'autre part, des travaux quant au développement de surfaces d'énergie potentielle (SEP) analytiques ont été menés. Un nouveau potentiel analytique a été proposé pour la description de la SEP des systèmes triatomiques. La combinaison de ce potentiel avec un potentiel électrostatique a été utilisé pour le développement de SEP analytiques pour de petits systèmes en interaction faible : H2O***HF, HF2-, Ne***ClF.

La précipitation et la dissolution du carbonate de calcium (CaCO3) sont des processus clés dans les systèmes naturels en raison de leur association intime avec le cycle du carbone terrestre. La précipitation se produit généralement sur des substrats étrangers en abaissant les barrières énergétiques qui contrôlent la nucléation. Ce processus appelé nucléation hétérogène résulte d'une interaction entre la sursaturation du fluide et les différentes énergies d’interface entre substrat-noyau-fluide. Malgré l’importance des énergies d’interface sur le devenir de la nucléation hétérogène, la littérature actuelle reste rare dans leurs valeurs absolues, limitant la précision de la modélisation du transport réactif. La formation des biominéraux constitue un réservoir majeur des carbonates dans la lithosphère. Des études récentes ont révélé des nucléations par multi-étapes impliquant la formation du carbonate de calcium amorphe (ACC), un intermédiaire métastable durant les premiers stades de la formation des biominéraux. De tels précurseurs amorphes permettent de réaliser les formes complexes des biominéraux, tandis que leur stabilité et leur cinétique de cristallisation sont contrôlées par de multiples facteurs. L'élucidation des mécanismes sous-jacents est bénéfique pour le développement de matériaux biomimétiques.Le premier objectif est de développer une compréhension prédictive des valeurs d'énergie d’interface régissant la nucléation hétérogène du CaCO3 en fonction des propriétés physico-chimiques spécifiques des substrats, comme l'hydrophobicité. Cette dernière est étudiée en utilisant de la phlogopite avec et sans substitution par le fluor produisant des substrats hydrophobes et hydrophiles. La technique de diffusion des rayons X aux petits angles en incidence rasante a été employée in situ pour obtenir des valeurs d’énergie effective d’interface. Il est intéressant de noter que les valeurs extraites pour les deux substrats sont similaires, et thermodynamiquement les deux fournissent un bon modèle pour la nucléation, alors que leurs mécanismes sont différents. La caractérisation ex situ par microscopie à force atomique a montré que le substrat hydrophile favorise la formation et la stabilisation d’ACC, tandis que le substrat hydrophobe favorise la formation de calcite. Ces résultats soulignent la flexibilité structurelle intrinsèque du CaCO3 et son avantage dans les processus de nucléation hétérogènes.Le deuxième objectif est de fournir une description atomistique de l'hydrophobicité du substrat. L'adsorption d'eau sur la phlogopite a été réalisée in situ par spectroscopie de photoélectrons à pression ambiante pour étudier l'effet de la substitution par le fluor et de différents types de contre-ions (K+, Na+ vs. Cs+). Ces résultats ont été interprétés par des simulations de dynamique moléculaire et la théorie de bond-valence. La combinaison de ces techniques montre que l'hydrophobicité du substrat provient d'une compétition entre deux facteurs: l'hydratation des contre-ions par rapport à celle du substrat.Le but final est d'étudier les mécanismes moléculaires par lesquels Mg2+, une impureté chez les précurseurs amorphes biogéniques, augmente la persistance cinétique d’ACC. La technique de diffusion inélastique incohérente des neutrons a été combinée avec la spectroscopie de corrélation de photons X pour élucider la dynamique à l'échelle nanométrique de l'eau et des ions dans les ACC. Les résultats montrent que la présence de Mg2+ augmente la diffusion atomique dans le solide tout en amplifiant la rigidité du réseau des liaisons hydrogène. Ces résultats contre-intuitifs sont abordés en considérant différents facteurs cinétiques inclus dans l’équation décrivant le taux de nucléation au sein de la théorie classique de la nucléation. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent l'importance de l'eau comme stabilisant cinétique de la structure amorphe et de l'existence de barrières stériques qui abaissent le taux de cristallisation. / Precipitation and dissolution of calcium carbonate (CaCO3) are key processes in both natural and engineered systems due to their intimate association with the Earth’s carbon cycle. Precipitation usually occurs on foreign substrates since they lower the energetic barriers controlling nucleation events. This so-called heterogeneous nucleation results from the interplay between the fluid supersaturation and the interfacial free energies present at the substrate-nucleus-fluid interfaces. Despite the relevance of interfacial energies for the fate of heterogeneous nucleation, the current literature remains scarce in their absolute values, which limits the accuracy of reactive transport modelling. Of particular relevance to the carbon cycle, the formation of biominerals accounts for a major reservoir of the carbonate minerals in the lithosphere. Recent studies have revealed the existence of multistep nucleation pathways that involve formation of amorphous calcium carbonate (ACC), a metastable intermediate during the early stages of biomineral formation. Such amorphous precursors allow molding of the intricate shapes of biominerals, while their stability and crystallization kinetics are effectively controlled by multiple factors. Elucidating the underlying mechanisms is beneficial for the development of biomimetic materials.The first goal of this dissertation is to develop a predictive understanding of interfacial energy values governing CaCO3 heterogeneous nucleation as a function of specific physico-chemical properties of the substrates, such as hydrophobicity. This last was investigated using phlogopite, a common mica, with and without fluorine substitution yielding hydrophobic and hydrophilic substrates. In situ time-resolved Grazing-Incidence Small Angle X-ray Scattering experiments were performed to obtain effective interfacial energy values. Interestingly, the extracted values for both substrates were similar, and thermodynamically these substrates provide a good template for nucleation, but the pathways differ. By ex situ Atomic Force Microscopy characterization, the hydrophilic substrate was shown to promote the formation and stabilization of ACC, whereas the hydrophobic one favored the formation of calcite. These results point to the intrinsic structural flexibility of CaCO3 and its advantage in heterogeneous nucleation processes.The second goal is to provide an atomistic description of the substrate hydrophobicity/hydrophilicity. Water adsorption on phlogopite was studied in situ using Near-Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy to investigate the effect of fluorine substitution and the influence of different types of counterions (K+, Na+ vs. Cs+). The results of the spectroscopy experiments were further interpreted using molecular dynamics simulations and bond-valence theory. The combination of these techniques shows that the substrate hydrophobicity stems from a competition between two factors: hydration of counterions vs. that of substrate.The final goal is to study the molecular mechanisms by which Mg2+, a common impurity in biogenic amorphous precursors, increases the kinetic persistence of ACC. Inelastic Incoherent Neutron Scattering and X-ray Photon Correlation Spectroscopy were combined to elucidate the nanoscale dynamics of water and ions within ACC. The presence of Mg2+ was shown to enhance the atomic diffusion within the solid while simultaneously increasing the stiffness of the hydrogen bond network. These counter-intuitive results are addressed by considering the different factors included in the pre-exponential term of the nucleation rate equation within the framework of the classical nucleation theory. Overall, the results point to the importance of water as a kinetic stabilizer, and to the existence of steric barriers that lower the crystallization rate.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se décomposent en deux thèmes principaux, eux-même subdivisés enplusieurs projets. D'une part, des travaux ont été menés concernant l'analyse et le développement de fonctionnelles « doubles hybrides ». Une analyse des fonctionnelles « doubles hybrides » à séparation linéaire le long de la connexionadiabatique a été proposée. Une nouvelle fonctionnelle « double hybride » à séparation de portée basée sur uneséparation alternative de l'énergie d'échange et de corrélation, RSDHf, a été développée. D'autre part, des travaux quant au développement de surfaces d'énergie potentielle (SEP) analytiques ont été menés. Un nouveau potentiel analytique a été proposé pour la description de la SEP des systèmes triatomiques. La combinaison de ce potentiel avec un potentiel électrostatique a été utilisé pour le développement de SEP analytiques pour de petits systèmes en interaction faible : H2O···HF, HF2-, Ne···ClF. / Works done during this thesis split into two main themes, themselves subdivided in several projects. On the one hand, works have been led concerning the analysis and the development of double-hybrid functionals. An analysis of linearly-separated double-hybrid functionals along the adiabatic connection has been proposed. A new range-separated double-hybrid functional based on an alternative separation of the exchange-correlation energy, RSDHf, has been developed. On the other hand, works related to the development of analytic potential energy surfaces (PES) has been led. A new analytic potential has been proposed for the description of the PES of triatomic systems. The combinaition of this potential with an electrostatic potential has been used for the development of analytic PES for small systems in weak interaction : H2O···HF, HF2-, Ne···ClF.

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