La photocatalyse laisse entrevoir un large champ d’applications dans de nombreux domaines parmi lesquels figurent principalement ceux du traitement et de la purification de l’eau et de l’air. Ceci constitue une des raisons pour lesquelles les études fondamentales des processus de dégradation des molécules organiques à la surface des photocatalyseurs concernent le plus souvent les phases liquides et gazeuses. Les développements plus récents des applications de la photocatalyse dans le domaine des surfaces autonettoyantes ont soulevé des problématiques fondamentales concernant les mécanismes de dégradation photocatalytique de composés solides tels que les suies et les acides gras. Ces problématiques restent encore peu abordées dans la littérature malgré les enjeux majeurs en terme environnemental et méritent donc des travaux de recherche plus approfondis. Cette thèse porte sur l’étude des modes de dégradation photocatalytique de dépôts solides d’acide stéarique (AS) sur des couches minces de dioxyde de titane. Dans ce travail, des approches expérimentales originales basées sur la microscopie optique sont mises en œuvre pour suivre la dégradation photocatalytique de ces dépôts d’AS à l’échelle microscopique sous exposition à la lumière ultraviolette. Les dépôts d’AS se présentent sous forme d’îlots microscopiques présentant une distribution de taille et de forme. Sur la base d’un nouveau modèle cinétique que nous proposons, le lien existant entre la vitesse de dégradation photocatalytique du dépôt et la distribution de taille initiale de la population d’îlots est mis en évidence. Le modèle cinétique développé permet de rationaliser nos résultats et de concilier d’autres résultats, jusqu’alors contradictoires, de la littérature. Ce travail propose en outre une étude originale sur la dégradation photocatalytique de microcristaux d’AS déposés sur des couches minces de TiO2 microstructurées qui a permis d’appréhender le rôle des radicaux libres dans le processus de dégradation photocatalytique. La démarche expérimentale est basée sur le lien étroit existant entre l’orientation des molécules, inhérente à la structure propre des microcristaux, et les directions des plans cristallographiques {hkl}. Ainsi, nous mettons en évidence une dépendance en {hkl} des vitesses de dégradation des microcristaux qui est justifiée à l’échelle moléculaire par l’affinité des radicaux pour les terminaisons chimiques exposées selon ces plans cristallographiques / Photocatalysis is widely used in a variety of applications in water and air purification. For those reasons, fundamentals research on the photocatalytical degradation processes of organic compounds on photocatalysts surfaces concern in most cases liquid and gaseous phases. The more recent development of self-cleaning surfaces has raised several issues concerning the mechanisms of photocatalytic degradation of solid deposits such as soot or fatty acids. These issues remain little addressed in the literature and therefore deserve further attention. This thesis work deals with the study of the photocatalytical degradation modes of solid deposits of stearic acid (SA) on the surface of titanium dioxide thin films. In this work, an original experimental approach based on the use of optical microscopy is implemented to monitor, on a microscopic scale, the SA deposits as a function of UV light exposure. Viewed under microscope, the SA deposits appear as microscopic islands presenting size and form distribution. On the basis of a new kinetic model we propose, the existing relationships between the degradation rate of the deposit and the initial size distribution of the islands population is demonstrated. The proposed kinetic model rationalizes our experimental results as well as several others from the literature. Additionally, an original study on the degradation of SA microcrystals, grown on microstructured TiO2 thin films, provides insight into the role of the photogenerated oxygenated radicals in the photocatalytical mechanisms. Furthermore, the anisotropy of the microcrystals structure is put in relation with that of the SA molecules orientations within the microcrystal. This explains the observed {hkl}-dependence of the degradation rate of the microcrystals

Ce travail de thèse est dédié à la visualisation par microscopie optique des transitions de phases, thermo- et photo-induites dans des monocristaux à transition de spin. L’étude des cristaux du composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)] a permis de montrer la possibilité de contrôler la dynamique de l’interface HS/BS (haut spin/bas spin) par une irradiation lumineuse appliquée sur toute la surface du cristal ou de manière localisée. Les investigations expérimentales menées sur l’effet de l’intensité de la lumière sur la température de transition ont mis en évidence d’une part l’importance du couplage entre le cristal et le bain thermique, et d’autre part le rôle de la diffusion de la chaleur dans le monocristal. En parallèle, un modèle basé sur une description de type Ginzburg-Landau, a permis de mettre sur pied une description de type réaction diffusion des effets spatio-temporels accompagnant la transition de spin dans un monocristal. Celui-ci a permis d’identifier et de comprendre le rôle des paramètres pertinents entrant en jeu dans le contrôle du mouvement de l’interface HS/BS. Les résultats obtenus sont très encourageants et reproduisent avec une grande fidélité les données expérimentales. Cependant l’origine de l’orientation de l’interface HS/BS observée par microscopie optique dans les cristaux du composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)] était restée mystérieuse. Pour résoudre cette question, nous avons développé un modèle électro-élastique qui tient compte du changement de volume au cours de la transition de spin. Ce dernier nous a conduits à analyser l’effet de la symétrie du réseau cristallin et de la forme du cristal sur l’orientation de l’interface élastique. En l’appliquant au composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)], en tenant compte du caractère anisotrope du changement de la maille élémentaire lors du passage HSBS, nous avons réussi à retrouver quantitativement l’orientation du front observée expérimentalement en microscopie optique. Ceci confirme bien le rôle primordial de l’élasticité dans le comportement des matériaux à transition de spin. Des études sous lumière à très basse température nous ont donné la possibilité de suivre en temps réel, l’effet LIESST (Light Induced Excited Spin State Trapping), la re-laxation coopérative du cristal ainsi que l’instabilité photo-induite LITH (Light Induced Thermal Hysteresis). Un monde fascinant est apparu autour de cette dernière, avec la présence de comportements totalement inédits. Ainsi, et pour la première fois, nous avons mis en évidence l’existence de phénomènes d’auto-organisation et de comportements autocatalytiques du front de transition. Cette physique non-linéaire dénote un comportement actif du cristal, par suite d’une subtile préparation autour d’un état instable. Ces comportements rappellent les structures dissipatives de Turing et ouvrent des perspectives fascinantes pour cette thématique, tant sur le plan expérimental que théorique. / This thesis work is devoted to visualization by optical microscopy of thermo- and photo-induced phase transitions, in switchable spin transition single crystals. The study of crystals of the compound [{Fe (NCSe) (py) 2} 2 (m-bpypz)] showed the possibility to control reversibly the dynamics of the HS/LS interface through a photo-thermal effect generated by an irradiation of the whole crystal or using a spatially localized light spot on the crystal surface. The investigations of the effect of the light intensity on the transition temperature have highlighted the importance of the coupling between the crystal and the thermal bath in these experiments. Concomitantly, we developped a reaction diffusion model allowing to describe and iden-tify the relevant physical parameters involved in the control of the movement of HS/LS interface. The obtained results are very encouraging and reproduce the main features of the experimental data. However the origin of the interface orientation observed by the optical microscopy in the crystal of the compound [{Fe (NCSe) (py) 2} 2 (m-bpypz)] re-mained mysterious, and needed an elastic approach to be handled. At this end, an electro-elastic model including the volume change at the spin transition was developed. By taking into account for the anisotropy of the unit cell deformation at the transition, we were able to reproduce quantitatively the experimental HS/LS interface orientation. This result confirms the crucial role of the lattice symmetry and its elastic properties in the emergence of a stable interface orientation. The last part of the thesis is devoted to the investigation of photo-induced effects at very low temperatures (~10K). There, we visualized for the first time the real time transformation of a single crystal under LIESST (Light Induced Excited Spin State Trapping) effect as well as its subsequent relaxation at higher temperatures. We have also studied the light induced instabilities through investigation on the LITH (Light Induced Thermal Hysteresis) loops. Around the latter, a fascinating world made of nonlinear effects, and patterns formation emerged, recalled the well known Turing structures. These results lead to new horizons that will give access to new theories and original experimental observations that will enrich the topics opening the new avenues to study of nonlinear phenomena in spin crossover solids.

L’imagerie biomédicale d’élastographie, visant à cartographier les propriétés mécaniques des tissus mous, est explorée à travers des approches multiphysiques et multimodales regroupant la microscopie optique d’une part et l’imagerie par résonance magnétique associée à la stimulation électrique d’autre part. Tout d’abord, une méthode de génération d’ondes élastiques, nécessaires aux expériences d’élastographie par résonance magnétique (ERM), suivant une approche de stimulation in situ est présentée. Cette dernière repose sur l’induction de forces de Lorentz, sources de mouvement, dans un matériau soumis à une stimulation électrique et exposé au champ magnétique d’un système d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Un dispositif expérimental d’ERM par force de Lorentz est proposé et testé avec des fantômes de gélatine de différentes rigidités. Le champ ondulatoire mesuré est démontré provenir de la force de Lorentz établie au sein des échantillons et a permis la reconstruction d’images de rigidité au moyen d’un algorithme d’inversion habituellement appliqué au traitement de données cliniques. La faible amplitude des déplacements capturés suggère toutefois que les déformations induites seraient difficilement mesurables par ERM dans des conditions de stimulation électrique sûres. Si cette caractéristique questionne la faisabilité de l’ERM par force de Lorentz, elle ouvre la voie à l’application simultanée de l’ERM conventionnelle et de la stimulation électrique dans une même région d’intérêt, permettant l’analyse de la réponse biomécanique de tissus biologiques à une stimulation électrique. Cet aspect est abordé à travers une étude numérique de stimulation transcrânienne par courant alternatif associée à l’ERM dans un modèle 3D de cerveau de souris. L’impact des forces de Lorentz, inhérentes à cette combinaison, sur les reconstructions de viscoélasticité est étudié via un algorithme d’inversion non-linéaire par sous-zones. Un volet d’imagerie de la conductivité ohmique par résonance magnétique est incorporé aux simulations de façon à approximer la distribution de courant électrique induit par stimulation. L’union de ces différentes approches pourrait être pertinente dans le cadre de la caractérisation du cerveau et révéler davantage de mécanismes physiologiques ensemble qu’individuellement. Dans un second temps, l’évaluation de la viscoélasticité des tissus biologiques est abordée à l’échelle de la cellule grâce à la micro-élastographie optique. Cette approche repose également sur la génération, la mesure et l’analyse d’ondes élastiques harmoniques dans le milieu sondé et est appliquée à des ovocytes de souris d’un diamètre avoisinant 85 µm. Les déformations locales sont mesurées dans le plan des images expérimentales acquises à une fréquence de 200 kHz et sont traitées par un modèle de déplacements 3D exploitant la symétrie planaire des ovocytes imagés. La reconstruction de cartes de viscoélasticité est assurée par l’algorithme itératif d’inversion non-linéaire par sous-zones, emprunté à l’élastographie par résonance magnétique. Les images de module de stockage produites démontrent un niveau de précision supérieur aux images obtenues par inversion directe, sur la base de différentiabilité des structures internes de l’ovocyte. La génération inédite d’images du module de perte dans de telles cellules et la robustesse de l’ensemble de cette approche sont des indicateurs encourageant d’une éventuelle applicabilité future aux procédures de fécondation in vitro. / Biomedical elastography imaging, aiming at mapping the mechanical properties of soft tissues, is explored through multiphysical and multimodal approaches combining optical microscopy on one hand and magnetic resonance imaging associated with electrical stimulation on the other hand. First, a method for generating elastic waves, necessary for magnetic resonance elastography (MRE) experiments, following an in situ actuation approach is presented. The latter is based on the induction of Lorentz forces, sources of motion, in a material subjected to an electrical stimulation and exposed to the magnetic field of a magnetic resonance imaging (MRI) system. An experimental set-up for Lorentz force MRE is proposed and tested with gelatin phantoms of different stiffness. The measured wave field is shown to originate from the Lorentz force established within the samples and allowed the reconstruction of stiffness images using an inversion algorithm typically applied to clinical data processing. The small amplitude of the captured displacements, however, suggests that the induced deformations would be difficult to measure by MRE under safe electrical stimulation conditions. If this characteristic questions the feasibility of Lorentz force MRE, it opens the way to the simultaneous application of conventional MRE and electrical stimulation in the same region of interest, allowing the analysis of the biomechanical response of biological tissues to electrical stimulation. This aspect is addressed through a numerical study of transcranial alternating current stimulation associated with MRE in a 3D mouse brain model. The impact of Lorentz forces, inherent to this combination, on viscoelasticity reconstructions is studied via a nonlinear subzone inversion algorithm. A magnetic resonance imaging component of the ohmic conductivity is incorporated into the simulations in order to approximate the electrical current distribution induced by stimulation. The union of these different approaches could be relevant for the characterization of the brain and may reveal more physiological mechanisms together than individually. In a second step, the evaluation of the viscoelasticity of biological tissues is approached at the cell level using optical microelastography. This approach is also based on the generation, measurement and analysis of harmonic elastic waves in the probed medium and is applied to mouse oocytes with a diameter of about 85 µm. Local deformations are measured in the plane of the experimental images acquired at a frequency of 200 kHz and are processed by a 3D displacement model exploiting the planar symmetry of the imaged oocytes. Viscoelasticity maps are reconstructed using the iterative subzone nonlinear inversion algorithm borrowed from magnetic resonance elastography. The storage modulus images produced demonstrate a higher level of accuracy than images obtained by direct inversion, based on the differentiability of the internal structures of the oocyte. The novel generation of loss modulus images in such cells and the robustness of the overall approach are encouraging indicators of potential future applicability to in vitro fertilization procedures.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le virus de l'hépatite C (HCV) infecte environ 180 millions de personnes à travers le monde. De nouveaux antiviraux ont récemment été mis sur le marché mais ils présentent des effets indésirables. La recherche de nouvelles cibles thérapeutiques reste donc d'actualité. Mes principaux travaux ont consisté à développer des approches de biochimie et d'imagerie sur cellules vivantes pour étudier les mécanismes moléculaires d'action des antiviraux silibinine (SbN) et arbidol (ARB) sur HCV. Nous avons montré que SbN et ARB inhibent des vésicules entourées de clathrine et ne sont pas délivrés aux endosomes précoces. SbN et ARB inhibent également l'infection d'autres virus entrant par endocytose clathrine-dépendante, ce qui expliquerait leur activité à large spectre. J'ai également contribué à un projet initié depuis quelques mois au sein de l'équipe. L'hypothèse était qu'un élément présent dans le microenvironnement hépatique (MEH) jouerait un rôle essentiel dans l'infection par HCV. Nous nous sommes intéressés au syndécan-1 (SDC1) car il est fortement exprimé à la surface des hépatocytes. Nos travaux montrent que la déplétion de SDC1 diminue fortement l'infection. SDC1 colocalise à la surface des hépatocytes non infectés avec CD81, un récepteur connu de HCV. Dans les jours suivant l'infection, cette colocalisation est perturbée. Ces données suggèrent que SDC1 serait un co-facteur d'entrée de HCV, agissant en combinaison avec CD81, et que l'infection réorganiserait les molécules du MEH, ce qui pourrait à long terme contribuer à la persistance de l'infection / Hepatitis C virus (HCV) is a global health concern infecting 170 million people worldwide. New antivirals recently received the approval for the treatment against HCV infection but they display many side effects. Research for new therapeutic targets therefore remains an important topic. My main work was to develop approaches in biochemistry and live cell imaging to study the molecular mechanisms of action of antivirals silibinin (SbN) and arbidol (ARB) on HCV infection. We show that SbN and ARB alter clathrin-mediated endocytosis. Viral particles are trapped in clathrin-positive structures and cannot be delivered to the early endosomal compartment, thereby preventing infection. SbN and ARB also prevent cell infection by viruses that enter through clathrin-mediated endocytosis, which could explain their broad spectrum activity. I also contribute to a project initiated for a few months in the lab. We hypothsized that a molecule present in the immediate surrouding of the hepatocyte microenvironment could play a role in HCV infection. We focused on the syndecan-1 (SDC1) because it is essentially anchored on the surface of hepatocytes. We show that SDC1 depletion leads to a drastic decrease of the viral infectivity. SDC1 colocalizes on the unfected hepatocyte surface with the already identified HCV recptor CD81. This colocalization vanished within days in infected cells. These data suggest that SDC1 could act as a cellular co-factor for HCV entry, in combination with CD81; thus infection could reorganized molecules of the hepatocyte microenvironment and contribute to HCV hepatotropism and the peristence of infection

Dans le circuit de la greffe de cornée, l'endothélium de chaque greffon est observé en microscopie optique conventionnelle afin de vérifier que sa densité cellulaire est suffisante pour maintenir une bonne transparence après l'opération. Les greffons étant conservés dans un milieu spécifique, ils sont imprégnés de liquide et présentent donc des plis qui perturbent l'observation et le comptage des cellules. Ce problème pratique est à l'origine d'une étude théorique sur les concepts de profondeur de champ étendue et de shape-from-focus. A partir d'une séquence d'images acquise par sectionnement optique, les informations les plus nettes permettent d'une part d'accéder à la topographie de la surface observée et d'autre part de restaurer l'image de sa texture. Une reconstruction surfacique 3-D est alors obtenue en projetant la texture sur la topographie. Cette thèse considère essentiellement l'étape fondamentale de mesure de netteté du processus de reconstruction. Des nouvelles mesures génériques offrant une haute sensibilité à la netteté sont introduites. De par une stratégie 3-D originale au travers de la séquence d'images, une autre mesure très robuste au bruit est proposée. Toutes ces mesures sont testées sur des données simulées puis diverses acquisitions réelles en microscopie optique conventionnelle et comparées aux méthodes de la littérature. Par ailleurs, la mesure 3-D améliore nettement les reconstructions d'endothéliums cornéens à partir de leurs acquisitions particulièrement perturbées (inversions de contraste). Un processus itératif complet de reconstruction 3-D d'endothéliums cornéens est finalement décrit, aboutissant à des résultats solides et exploitables.

Ce travail, consacré à la conception, la réalisation et la caractérisation de VCSEL à diaphragme d'oxyde<br />sur substrat GaAs, a pour objectif d'obtenir un composant émettant à 1.3 μm, longueur d'onde d'intérêt pour<br />les transmissions optiques haut débit et moyenne distance. Après l'introduction du contexte économique et<br />historique de l'étude, nous abordons les points clés de la conception du VCSEL : matériau actif, dopage<br />des miroirs, oxydation latérale. Nous avons fabriqué et caractérisé des VCSEL à partir de trois matériaux<br />actifs diérents : des puits quantiques d'InGaAsN/GaAs, des puits quantiques d'InGaAs/GaAs fortement<br />contraints et des boîtes quantiques d'In(Ga)As/GaAs. Leurs caractérisations électro-optiques conrment que<br />la longueur d'onde d'émission des composants réalisés est supérieure à 1270 nm et atteint 1300 nm dans le cas<br />de puits d'InGaAs très contraints. Ces lasers présentent également des courants seuil de l'ordre du milliampère<br />et des puissances optiques de quelques centaines de microwatts pour les puits quantiques d'InGaAsN et les<br />boîtes quantiques d'In(Ga)As, et jusqu'à 1.77 mW pour les puits quantiques d'InGaAs contraints. A de<br />rares exceptions près, l'émission laser devient multimode transverse lorsque l'on augmente le courant injecté.<br />En particulier, les VCSEL à puits quantiques d'InGaAs très contraints présentent un comportement modal<br />spécique avec des modes d'oxyde inattendus. L'étude de ces modes nous amène notamment à observer leur<br />répartition spatiale par microscopie en champ proche spectralement résolue. La compréhension de l'origine<br />des modes transverses dans une cavité VCSEL constitue un premier pas vers leur suppression en vue d'une<br />émission monomode compatible avec les standards des télécommunications optiques.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de microscopie holographique digitale hétérodyne pour détecter et localiser en trois dimensions des nanoparticules d'or utilisées comme marqueurs biologiques dans des cellules vivantes. On combine la géométrie hors-axe et l'interférométrie par décalage de phase, où deux modulateurs Acousto-Optique minutieusement synchronisés sont utilisés, afi n d'obtenir des hologrammes sans alias. La détéction hétérodyne permet d'atteindre la limite de bruit théorique (shot-noise). Nous avons aussi élaboré une méthode de reconstruction numérique astucieuse : les images reconstruites ne souff rent pas de distortions longitudinales, les parmètres de reconstruction sont obtenus sans avoir besoin de les mesurer en e ffectuant une calibration expérimentale supplémentaire, la compensation des aberrations et les corrections de courbure de phase sont automatiquement obtenus. Nous avons pu imager et localiser, pour la première fois dans le contexte de la microscopie holographique digitale, des billes d'or de 40 nm de diamètre, attachées aux récepteurs transmembrannaires intégrine de fibroblastes 3T3 vivantes avec une précision de localization de 5 nm latéralement et 100 nm en profondeur quand un moyennage sur 32 images est eff ectué. De plus, une exploration 3D, dans un volume relativement grand (90x90x90) microm, de la totalité du champ diff usé est obtenu. Finalement, nous avons pu caractériser les régimes de di ffusion des marqueurs d'or et des structures cellulaires en analysant la forme 3D des motifs de diff usion correspondants qui sont facilement accessible par holographie digitale.

Cette thèse vise à améliorer la résolution en trois dimensions grâce à une technique récente d’imagerie : la microscopie tomographique diffractive (MTD). Son principe est d’éclairer l’objet successivement sous différents angles en lumière cohérente, de détecter le champ diffracté en phase et en amplitude, et de reconstruire la carte 3D de permittivité de l’objet par un algorithme d’inversion. La MTD s’est avérée capable de combiner plusieurs modalités utiles pour la microscopie sans marquage, telles que plein champ, champ sombre, à contraste de phase, confocale, ou encore la microscopie à synthèse d’ouverture 2D ou 3D. Toutes sont basées sur des approximations scalaires et linéaires, ce qui restreint leur domaine d’application pour restituer l’objet de manière quantitative. A l’aide d’une inversion numérique rigoureuse prenant en compte la polarisation du champ et le phénomène de diffusion multiple, nous sommes parvenus à reconstruire la carte 3D de permittivité d’objets avec une résolution de λ/4. Une amélioration supplémentaire la portant à λ/10 a été rendue possible par l’insertion d’information a priori sur l’objet dans l’algorithme d’inversion. Enfin, la résolution axiale est moins bonne du fait de l’asymétrie des schémas d’illumination et de détection dans les microscopes. Pour s’affranchir de cette limitation, une configuration de tomographie assistée par miroir a été implémentée et a mis en évidence un pouvoir de séparation axial meilleur que λ/2. Au final, la MTD s’est illustrée comme un outil de caractérisation puissant pour reconstruire en 3D les objets ainsi que leurs indices optiques, à des résolutions bien supérieures à celles des microscopes conventionnels. / This PhD thesis is devoted to the three-dimensional isotropic resolution improvement using optical tomographic diffraction microscopy (TDM), an emerging optical microscope technique. The principle is to illuminate the sample successively with various angles of coherent light, collect the complex (amplitude and phase) diffracted field and reconstruct the sample 3D permittivity map through an inversion algorithm. A single TDM measurement was shown to combine several popular microscopy techniques such as bright-field microscope, dark-field microscope, phase-contrast microscope, confocal microscope, 2D and 3D synthetic aperture microscopes. All rely on scalar and linear approximations that assume a linear link between the object and the field diffracted by it, which limit their applicability to retrieve the object quantitatively. Thanks to a rigorous numerical inversion of the TDM diffracted field data which takes into account the polarization of the field and the multiple scattering process, we were able to reconstruct the 3D permittivity map of the object with a λ/4 transverse resolution. A further improvement to λ/10 transverse resolution was achieved by providing a priori information about the sample to the non-linear inversion algorithm. Lastly, the poor axial resolution in microscopes is due to the fundamental asymmetry of illumination and detection. To overcome this, a mirror-assisted tomography configuration was implemented, and has demonstrated a sub-λ/2 axial resolution capability. As a result, TDM can be seen as a powerful tool to reconstruct objects in three-dimensions with their optical material properties at resolution far superior to conventional microscopes.