Comme les propriétés physiques d'un matériau à l'échelle nanométrique sont largement dépendantes de la taille et de la forme des nanostructures, il est inutile de synthétiser de nouvelles compositions et morphologies. L'étude avancée de leur structure par les techniques de caractérisation usuelles (MET, MEB, DRX, Raman...) permettra de collecter toutes les informations nécessaires à la compréhension de leurs propriétés physiques (magnétiques, optiques, électriques). Dans ce manuscrit, nous décrirons plusieurs approches d'élaboration de nanostructures 0D, 1D et 2D multifonctionnelles afin de mieux connaître les paramètres qui contrôlent leur composition chimique et leur structure. De plus, ce travail de recherche a abouti à la synthèse de nouveaux matériaux à base d'oxyde et de carbure de fer. Des nanofibres magnétiques ayant des morphologies originales " Ruban " et " tube " ont été élaborées par la technique d'électrospinning en modifiant plusieurs paramètres expérimentaux : concentration de la solution, atmosphères de traitement thermique, température de recuit... De plus, des couches minces guidantes dopées par des nanostructures magnétiques ont été préparées par la technique dip-coating. Nous avons mené une étude complexe et détaillée sur les propriétés structurales de ces matériaux afin de définir les paramètres expérimentaux qui permettront d'obtenir des nano objets de bonne qualité. Dans un but ultime, nous souhaiterons explorer les possibilités d'application de ces matériaux qui présentent à la fois des caractéristiques électriques et magnétiques.

Cet ouvrage porte sur les macrocycles organiques. Une introduction générale sur les propriétés des macrocycles et leurs rôles dans la chimie des matériaux et le développment des médicaments est présentée en premier lieu pour expliquer notre intérêt particulier sur cette classe de molécules. Le premier chapitre parle d’une nouvelle conception des nanotubes supramoléculaires par auto-assemblage des macrocycles de forme persistante. Nous avons exploité la capacité d’auto-assembler des différents types de cyclopeptides de squelette rigidifié en structures nanotubulaires. Cette approche a aussi été bien étudiée par plusieurs groupes de recherche de la littérature. Une caractéristique commune dans toutes ces conceptions est le besoin des fonctions amides qui sont disposées à l’intérieur du macrocycle et responsables des ponts Hydrogènes intermoléculaires pour diriger l’auto-organisation en nanotubes. Cette approche fonctionnait bien mais trouve limitée dans le cas où la structure cyclique manque des motifs (en particulier les amides) responsables de l’auto-assemblage par exemple les structures π-conjuguées. Pour ce genre de molécules, l’incorporation des longues chaînes latérales alkyles en périphérie du cycle représente la méthode habituelle pour obtenir l’empilement efficace entre les molécules. Par contre, le matériau formé présente souvent un désordre moléculaire et une faible cristallinité. Nous proposons une meilleure conception pour stimuler la croissance unidimensionnelle en ajoutant les fonctions amides susceptibles des liaisons Hydrogène intermoléculaire en périphérie du cycle. La tribenzocyclyne (TBC) est choisie comme échafaudage pour examiner cette stratégie qui n’a jamais été appliquée et rapportée sur un système cyclique pour le même objectif. L’intensité et la directionnalité des interactions Hydrogène supporteraient l’auto-organisation efficace de ces dérivés de TBC en nanotubes comme manifestée par quelques calculs semi-empiriques. De différentes générations de TBC portant des amides latéraux ont été conçues, synthétisées et discutées pour améliorer la synthèse et pouvoir obtenir l’arrangement désiré des molécules. Afin de favoriser la compréhension sur les nanotubes supramoléculaires, une introduction sur la chimie supramoléculaire, les interactions non-covalentes et les différentes approches vers les nanotubes supramoléculaires est résumée en détail. Toujours concernant les marcocycles, le deuxième chapitre aborde la conception des nouveaux agonistes cycliques ciblant le récepteur opioïde δ (DOPr). Les résultats préliminaires obtenus par notre groupe ont permi de proposer une conformation de Leu-enképhaline (LENK), le ligand endogène activant le DOPr, qui est très probablement celle trouvée dans le site actif de DOPr. En basant sur ce modèle, nous voulons concevoir des macrocycles dont le squelette est fixé plus ou moins vers cette conformation active hypothétique en incorporant les espaceurs appropriés entre les pharmacophores. Les nouvelles molécules sont considérées comme candidats-agonistes sélectifs δ car la conception fixerait la conformation spécifique pour la liaison avec le DOPr au lieu des autres récepteurs opioïdes surtout le μ (MOPr). L’objectif à long terme de ce projet, qui est en collaboration avec le laboratoire du Professeur Louis Gendron, est d’obtenir les agonistes sélectifs δ puissants pour soulager les douleurs sévères et/ou chroniques avec les effets secondaires réduits ou éliminés. Ces effets indésirables constituent le problème majeur qui limite l’efficacité ou suspend la médication des agonistes opioïdes telles que la morphine dans le traitement de la douleur. Pour comprendre mieux l’arrivée des nouveaux macrocycles synthétisés et discutés dans ce chapitre, une introduction générale sur la douleur et les traitements actuels, les récepteurs opioïdes et leur rôle dans la modulation de la douleur est présentée en premier lieu. Les résultats préliminaires par notre groupe et les collaborations sont aussi résumées. Finalement, une concise annexe sur l’exploration d’une nouvelle conception de nanosphères supramoléculaires est ajoutée en dernier lieu. Ces nanocapsules résulteraient de l’auto-assemblage des dérivés de corannulène portant des amides latéraux, ce qui imitent la structure de la capside sphérique chez plusieurs virus.

The main objective of this thesis is to efficiently disperse and align SWNTs in two different polymer matrices to obtain an orthotropic composite whose strength, stiffness and electrical properties depend on the orientation of the SWNTs. The SWNTs are successfully dispersed and aligned in a polyimide matrix and a polymer blend of UDMA/HDDMA. In-situ polymerization under sonication is used to disperse the SWNTs in polyimide matrix and sonication is used to disperse SWNTs in the UDMA/HDDMA matrix. In both cases, an electric field is used to align the SWNTs in the polymer matrices. In the polyimide, the SWNTs are aligned by electrospinning technique, and in (UDMA/HDDMA) the SWNTs are aligned by applying an AC electric field, while the composite is cured.The electrical and mechanical properties of randomly dispersed SWNT polyimide composites and SWNT/UDMA/HDDMA composite are measured. The dielectric constant and storage modulus of SWNT polyimide composite increased with SWNT concentration. Low percolation (0.06 wt%) and an increase of 113% in storage modulus with 0.2 wt% SWNTs, both indicate good dispersion of SWNTs in the polyimide matrix. The dielectric constants, conductivity for the unaligned SWNT/UDMA/HDDMA composite are isotropic. The electrical and mechanical properties of the randomly dispersed SWNT polyimide composite and SWNT/UDMA/HDDMA composite are used as references when analyzing the aligned counter parts. Different characterization methods are used to assess the alignment of the SWNTs in the polyimide and (UDMA/HDDMA) matrices. A variety of characterization techniques, i.e. microscopy, Raman spectroscopy, electrical conductivity, dynamic dielectric spectroscopy and dynamic mechanical analysis, indicate preferential alignment of SWNTs in two types of polymers: Polyimide and (UDMA/HDDMA). Optical microscope images showed alignment of the SWNTs in the UDMA/HDDMA composite. Inspection of the Raman spectra on aligned SWNT polyimide composite fibers and aligned SWNT/UDMA/HDDMA composite indicates a decrease in the intensity of the tangential peak of the SWNT with increase in the polarizer angle. The difference in the perpendicular and parallel Raman peaks indicate preferential alignment of SWNTs in both the polymer matrices. In the aligned polyimide composite, percolation transition is at 0.2 wt% SWNT concentrations when dielectric constant is measured parallel to the aligned SWNTs. But percolation transition is at 0.65 wt% SWNT concentrations when dielectric constant is measured perpendicular to the aligned SWNTs. Electrical measurements on aligned SWNT polyimide and UDMA/HDDMA composite are highly anisotropic. In both cases, the dielectric constant values parallel to the direction of SWNT alignment are higher than the values perpendicular to the direction of SWNT alignment. To analyze the resulting anisotropy in the dielectric constant, Bruggeman's effective medium approach is used. The effective medium theory predicts the effective dielectric constant of a composite with aligned anisotropic inclusions. The effective dielectric constant, perpendicular to the aligned inclusions and parallel to the aligned inclusions is estimated. The dielectric constant values of aligned SWNT polyimide and aligned SWNT/UDMA/HDDMA composites are compared to the experimental results. Both the values from the theory and experiment show anisotropy in dielectric constant. The theory indicated that the dielectric constant parallel to the aligned inclusions is highly influenced by the dielectric constant of the inclusion and the dielectric constant perpendicular to the aligned inclusions is highly influenced by the dielectric constant of the polymer matrix. Results from the different characterizing techniques indicate that SWNTs are successfully aligned in the polyimide matrix and (UDMA/HDDMA) matrix by electrospinning technique and by an AC electric field respectively.

Cette thèse porte pour l'essentiel sur la synthèse de copolymères à blocs bien définis composés au moins d'un bloc polymère semi-conducteur et d'un segment hydrosoluble pour être utilisés comme agents dispersants de nanotubes de carbone (NTCs) dans des milieux aqueux. Des copolymères de différentes masses molaires ont été synthétisés en suivant des procédés de polymérisation sans métaux et l’influence de la fraction volumique de la partie hydrosoluble a été étudiée au regard de leur solubilité en milieux aqueux. La capacité de ces copolymères à s'organiser ou s'auto-assembler tant en solution qu'en film a été examinée. Enfin, des dispersions de NTCs avec ces copolymères ainsi que leurs films obtenus par différents types de dépôts ont été réalisés et caractérisés pour déterminer notamment leurs caractéristiques électro-optiques. / Our work focused on the synthesis of well-defined copolymers constituted with at least a conductive polymer segment along with hydrophilic moieties in order to disperse CNTs in aqueous media. Using metal free polymerizations, copolymers with different molecular weights were synthesized in order to study the influence of the hydrophilic part on these materials. Besides the self-assembly behavior of these copolymers, both in bulk and in solution, were addressed. This type of copolymers were successfully used to disperse both single and multi wall carbon nanotubes. Electrical and optical characteristics of the dispersions together with their films will also be discussed.

L’incorporation de nanotubes de carbone dans une matrice polymère permet d’obtenir des matériaux nanocomposites avec des propriétés exceptionnelles. Toutefois, ces dernières dépendent de l’état de dispersion et distribution des nanotubes dans la matrice. Afin de conférer de meilleures propriétés, il est essentiel que le procédé de synthèse des nanocomposites permette une répartition contrôlée des nanotubes dans la matrice. Un procédé de polymérisation in situ, en présence de nanotubes de carbone, a été choisi. Ce dernier permet de contrôler la répartition des nanotubes dans la matrice grâce à l’utilisation des ultrasons. Afin d’optimiser ce procédé, et notamment lors de la polymérisation anionique activée de l’e-caprolactame, l’influence de la présence des nanotubes sur la vitesse de polymérisation et les propriétés rhéologiques du milieu polymérisant a été déterminée. Grâce à une étude calorimétrique suivie d’une étude rhéocinétique, il a été démontré que la présence de nanotubes ralentit la polymérisation et augmente fortement la viscosité du milieu. Cette inhibition provient probablement d’une réaction entre les nanotubes et le catalyseur utilisé pour la polymérisation et dépend donc de l’état de dispersion des nanotubes dans la matrice, lequel peut ainsi être estimé par les études cinétiques. L’étude des propriétés rhéologiques et électriques des nanocomposites à matrice polystyrène et à renforts de nanotubes de carbone a également été entreprise. Suivant l’état de dispersion ainsi que les différents paramètres opératoires, les seuils de percolation électrique et rhéologique ont ainsi pu être déterminés / The introduction of carbon nanotubes into polymers leads to nanocomposite materials with exceptional properties. These later depend, however, on the dispersion and distribution of carbon nanotubes inside the matrix. A key objective, in nanocomposite preparation, is the set up of incorporation processes allowing a good state of dispersion of the nanotubes into the matrix. An in situ polymerization process, coupled with an ultrasound processor, was chosen to best fulfill this objective. The optimization of this process implies the knowledge of the evolution of reaction kinetics and rheological properties during the polymerization. The influence of carbon nanotubes on the anionic activated polymerization of e-caprolactam was investigated by calorimetric and rheokinetic studies. Carbon nanotubes were found to slow down polymerization kinetics and highly increase the viscosity after a certain conversion degree. This inhibition phenomenon could be produced by a reaction between carbon nanotubes and the catalyst employed for the polymerization reaction. The inhibition effect depended also on the state of dispersion of the nanotubes, consequently, kinetic and rheokinetic measurements are an indirect method to estimate the state of dispersion. The electrical and rheological properties of the nanocomposites were also investigated. The influence of the state of dispersion and other parameters, such as temperature, on the electrical and rheological percolation thresholds was identified

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Brian R. Washburn / Optical frequency combs produced by mode-locked fiber lasers are useful tools for high precision frequency metrology and molecular spectroscopy in a robust and portable format. We have specifically investigated erbium doped fiber mode-locked lasers that use single-walled carbon nanotubes as a saturable absorber. We have, for the first time, developed and phase- stabilized a carbon nanotube fiber laser (CNFL) frequency comb. The carbon nanotube saturable absorber, which was fabricated using an optically driven deposition method, permits a high repetition frequency (>150 MHz) since an optical nonlinearity of fibers is not used for mode-locking. The CNFL comb combined with a parabolic pulse erbium doped fiber amplifier (EDFA) has shown a compact, robust, and cost-effective supercontinuum source. The amplified pulse from the parabolic pulse EDFA was compressed with a hollow-core photonic bandgap fiber, which produced a wave-breaking-free pulse with an all-fiber set-up. The stabilized comb has demonstrated a fractional instability of 1.2 ×10[superscript]-11 at 1 sec averaging time, the reference-limited instability. We have performed optical frequency metrology with the CNFL comb and have measured an optical frequency, P(13) which is a molecular overtone transition of C2H2. The measured frequency has shown a good agreement with the known value within an uncertainty of 10 kHz. In order to extend the application of the CNFL comb such as multi-heterodyne dual comb spectroscopy, we have investigated the noise of the CNFL comb and particularly, the broad carrier envelope offset frequency (f[subscript]0) linewidth of the CNFL comb. The primary noise source is shown to be white amplitude noise on the oscillator pump laser combined with the sensitivity of the mode-locked laser to pump power fluctuations. The control bandwidth of f[subscipt]0 was limited by the response dynamics of the CNFL comb. The significant reduction of comb noise has been observed by implementing a phase-lead compensation to extend control bandwidth of the comb and by reducing the pump relative intensity noise simultaneously. Therefore the f[subscipt]0 linewidth has been narrower from 850 kHz to 220 kHz. The integrated phase noise for the f[subscipt]0 lock is 1.6 radians from 100 Hz to 102 kHz.

The modification of anode materials is important to enhance the power generation of MFCs (microbial fuel cells). A novel and cost-effective modified anode that is fabricated by dispersing manganese dioxide (MnO2) and HNTs (Halloysite nanotubes) on carbon cloth to improve the MFCs' power production was reported. The results show that the MnO2/HNT anodes acquire more bacteria and provide greater kinetic activity and power density compared to the unmodified anode. Among all modified anodes, 75 wt% MnO2/HNT exhibits the highest electrochemical performance. The maximum power density is 767.3 mWm(-2), which 21.6 higher than the unmodified anode (631 mW/m(2)). Besides, CE (Coulombic efficiency) was improved 20.7, indicating that more chemical energy transformed to electricity. XRD (X-Ray powder diffraction) and FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) are used to characterize the structure and functional groups of the anode. CV (cyclic voltammetry) scans and SEM (scanning electron microscope) images demonstrate that the measured power density is associated with the attachment of bacteria, the microorganism morphology differed between the modified and the original anode. These findings demonstrate that MnO2/FINT nanocomposites can alter the characteristics of carbon cloth anodes to effectively modify the anode for practical MFC applications. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Compared to conventional fibers, carbon nanotubes possess several significant properties, which make them as an excellent alternative reinforcement in multi-functional material industry. In this study, the possibility of dispersion of the multi-wall carbon nanotube (MWCNTs) in a thermoset bio-based resin (synthesized based on end-functionalized glycerol-lactic acid oligomers, GLA, at university of Borås) was investigated. Furthermore, the addition of the MWCNTs as reinforcement to improve the mechanical and thermal properties of was investigated. The nanocomposites were prepared in three different concentrations of MWCNTs, 0.3 wt.%, 1.0 wt.%, and 2.0 wt.%, and each sample was prepared using three different dispersion methods such as the high speed mixer(HSM), the ultra-sonication (US), and a combined method of HSM & US. The mechanical and thermal properties were analyzed by flexural test, thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). The results confirm that the nanotubes can be dispersed in GLA but the cured nanocomposite didn’t exhibit any considerable improvement in their thermal properties. Considering to the mechanical properties, the addition of 0.3 wt. % MWCNTs to the GLA increased the flexural strength a little but increasing the nanotubes to 1.0 wt. % decreases the flexural strength to almost 50%. This is mainly due to increase in the brittleness of the produced nanocomposites. Both the distribution methods dispersed the nanomaterials in the matrix initially but they are not efficient enough to stop the re-agglomeration which leads to undesired curing dynamics and low efficiency. Thus, these dispersion methods need to be optimized for improvement of nanocomposites’ properties.

The thesis comprises the two parts in each chapter: the first part focuses on the development and characterization of polyimide (PI) based composite coatings on a steel substrate. In order to improve the tribological performance of polyimide coatings, the fillers i.e. multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and Graphene (GP) were added into PI and conducted friction test at elevated temperatures ranging from room temperature (RT) to 200°C. Also, the influence of fillers (MWCNTs and GP) materials into PI coatings surface, mechanical and tribological properties of polyimide composites coatings are measured. The addition of MWCNTs and GP reduces the friction coefficient as well as wear volume at elevated temperatures 50°C, 100°C and sometimes at 150°C. These temperatures play a vital role to form a lubrication layer in the contact interfaces at certain load and operating conditions. In these cases, three weight percentage (3wt%) of MWCNTs and GP into polyimide composites showed low friction and high wear-resistant as compared to other PI composites. Besides, by adding these two fillers into pure PI improved the mechanical properties such as micro-hardness and nanoindentation. The scanning electron microscope (SEM) was used to observe the wear mechanism of the composite coatings worn surfaces. The consequences expose that the fatigue wear mechanisms were predominant in the worn surfaces. Moreover, the thermal study of the polyimide composite coatings was conducted using thermal gravimetric (TG) to analyze the behavior of composite coatings at high temperatures. The results showed that the PI coatings with MWCNTs and GP have high thermal stability at 60% sample residue. In the second part-an epoxy coatings with filler materials e.g. hexagonal boron nitride (h-BN) and expanded graphite (EG) were made and conducted their tribological i.e. friction coefficient and wear performance. Also the perfect mixing ratio 4:1 (80 wt% base epoxy matrix and 20 wt% curing agent) was determined on the basis of stoichiometric ratio to cure the epoxy accurately. Therefore, seven samples with a various weight percentage (wt%) were prepared i.e. pure epoxy, epoxy with 5wt%, 10wt%, 15wt% of h-BN and EG. All the prepared samples ran at two different loading 2 N and 4 N conditions with 5 Hz frequency, 300 rpm and 30 minutes duration. The epoxy with h-BN showed low friction as compared to EG where EG has better wear-resistant behavior than h-BN.

Prussian blue (PB) nanoparticles were synthesized from FeCl3.6H2O, K4[Fe(CN)6].3H2O, and from Fe(NO3)3.9H2O and K4[Fe(CN)6].3H2O, and then characterized by Fourier transform infrared (FT-IR), Ultraviolet-visible spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Energy dispersive spectroscopy (EDS), Scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy and thermogravimetric analysis. Graphene oxide and carbon nanotubes were also synthesized and characterized. PB nanoparticles, carbon nanotubes (CNT), graphene oxide (GO) and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) were sequentially deposited onto glassy carbon electrode surface to form chemically modified electrode for the detection of hydrogen peroxide (H2O2) and dopamine. The following electrodes were fabricated, GC-PB, GC-MWCNT, GCGO, GC-CTAB, GC-MWCNT-PB, GC-GO-PB and GC-CTAB-PB. Cyclic and Square wave voltammetric techniques were used to measure the hydrogen peroxide detectability of the electrodes at pH ranges of (3 - 7.4) in 0.1M phosphate buffer solution, in the absence or presence of 25 μL of H2O2. The GC-CNT-PB, GC-GO-PB,GC-CTAB-PB electrodes showed a good response for the detection of hydrogen peroxide in both acidic and neutral media while the GCPB electrode only showed good response in acidic media.