This thesis presents a theoretical analysis of the late stage kinetics of phase separation in a binary fluid. The infrared (long-wavelength) and long-time properties of the fluid system are studied using the techniques and ideas of the momentum shell renormalization group (RG). The non-linear effective one-fluid description of Sain and Grant is generalized to include memory effects through the construction of two non-Markovian noise correlators, and the full incompressible Navier-Stokes equation (NSE) is considered. The structure of the non-Markovian force-force correlators is justified heuristically, and the exponent of their decaying power law obtained using an energy equation and Novikov's theorem. The main motivations for this study are three-fold. The first goal is to gain a better understanding of how to model such binary fluid systems with a minimal number of key features, through a renormalization group (RG) approach. The second goal is to obtain dynamical information about the droplet power law growth, by finding an interval of allowed values for the exponent. This is achieved through a Reynolds number criterion, Re, which grows as L raised to a scaling exponent calculated with RG, and where L denotes a length scale of observation, in analogy with the Kadanoff blocks of critical dynamics. This in turn leads to an examination of which (first-order phase transition) universality class is associated with this kinetic process. The third goal is to estimate a velocity correlation length scale by means of another output of the RG procedure, namely the “scaling exponent” z. Results from both models, MI and MII, are in good agreement with data from numerical simulations, and also agree with the exponent 1/3 for the Lifshitz-Slyozov universality class, “Model B” for first-order phase transitions with a conserved order parameter. A discussion of the scaling of the velocity-velocity correlation is included. Our analysis includes partial hydrody / Cette thèse présente une analyse théorique de la cinétique tardive de séparation de phase dans un fluide binaire. On utilise les idées et les techniques du groupe de renormalisation (RG) à enveloppe d'impulsion pour étudier les propriétés du système de fluides, pour des distances et des temps très longs. La description non-linéaire effective à un fluide de Sain et Grant est généralisée, dans le but d'inclure des effets de mémoire, grâce à la construction de deux corrélateurs de bruit non-Markoviens, et l'équation complète de Navier-Stokes (NSE) pour un fluide incompressible est considérée. La structure des corrélateurs non-Markoviens est justifiée de façon heuristique, et l'exposant du facteur de decroissance en puissance de t est obtenu en utilisant une équation d'énergie et le théorème de Novikov. Il y a trois motivations principales à cette étude. Le but premier est d'obtenir une meilleure compréhension de la façon de modéliser de tels systèmes fluides binaires, en utilisant un nombre minimal d'éléments clés, grâce à l'approche du groupe de renormalisation (RG). Le deuxième objectif est d'obtenir de l'information dynamique sur le taux de croissance en puissance de t du rayon R des gouttelettes, à travers le calcul d'un intervalle de valeurs permises pour l'exposant, et le critère de decroissance du nombre de Reynolds , Re, en puissance de L. L'exposant dynamique du nombre de Reynolds résulte du calcul de renormalisation, et L est l'échelle de longueur à laquelle les phénomènes sont observés. Ceci mène à la considération de la classe d'universalité (pour les transitions de phase du premier ordre) associée à ce processus cinétique. Le troisième objectif est d'estimer une échelle de grandeur des vitesses dans le fluide, au moyen d'un autre résultat du processus de renormalisation, “ l'exposant dynamique” z. Les résultats des deux modèles, MI et MII, sont en bon accord avec les donné

The field of research of this thesis is Condensed Matter Physics applied to Biology. Specifically it describes the development of different Atomic Force Microscopy techniques and tools towards the study of living cells in physiological solution. Particular interest is put into the understanding of the influence of noise in the determination of ordered liquid layers above a mica surface - as work towards the study of the role of water and ions in biological processes - and the influence of "diving bell" to boost the Q factor and allow stable imaging and force spectroscopy with tips based on Scanning Near-field Optical Microscopy [LeDue, 2010 and LeDue, 2008]. By combining SNOM techniques as a local illumination method (and thus avoiding photo bleaching of individual molecules) and high resolution AFM techniques we will be able to investigate mechano-transduction and associated signaling in living cells and individual proteins. / Le domaine de recherche de cette thèse consiste en l'application de la physique de la matière condensée à la biologie. Plus précisément, ce travail décrit le développement de différentes techniques de Microscopie à Force Atomique (MFA) et d'outils permettant l'étude de cellules vivantes en solution physiologique. Un intérêt particulier est porté à la compréhension de l'influence du bruit dans la détermination de couches liquides ordonnées au-dessus d'une surface de mica - en tant que travail préalable à l'étude du rôle de l'eau et des ions dans les processus biologiques - et de l'influence d'une "cloche de plongée" pour renforcer le facteur Q ainsi que pour permettre l'imagerie stable et la spectrométrie de force avec des sondes basées sur la Microscopie Optique en Champ Proche (MOCP). En combinant des techniques MOCP, utilisées comme méthode d'éclairement local (évitant ainsi le photoblanchiment des molécules individuelles), et des techniques MFA haute résolution, nous serons capables d'investir la mécano-transduction et le signalement associé dans des cellules vivantes et dans des protéines individuelles.

In this thesis, we present the first-principle calculations of inelastic electron tunneling spectroscopy(IETS) in single molecular break junctions. In a two-probe electrode-molecule-electrode setup, density functional theory(DFT) is used for the construction of the Hamiltonian and the Keldysh non-equilibrium Green's function(NEGF) technique will be employed for determining the electron density in non-equilibrium system conditions. Total energy functional, atomic forces and Hessian matrix can be obtained in the DFT-NEGF formalism and self-consistent Born approximation(SCBA) is used to integrate the molecular vibrations (phonons) into the framework once the phonon spectra and eigenvectors are calculated from the dynamic matrix. Geometry optimization schemes will also be discussed as an indispensable part of the formalism as the equilibrium condition is crucial to correctly calculate the phonon properties of the system.To overcome the numerical difficulties, especially the large computational time demand of the electron-phonon coupling problem, we develop a numerical approximation for the electron self-energy due to phonons and the error is controlled within numerical precision. Besides, a direct IETS second order I-V derivative expression is derived to reduce the error of numerical differentiation under reasonable assumptions. These two approximations greatly reduce the computation requirement and make the calculation feasible within current numerical capability.As the application of the DFT-NEGF-SCBA formalism, we calculate the IETS of the gold-octanedithiol(ODT) molecular junction. The I-V curve, conductance and IETS from ab-inito calculations are compared directly to experiments. A microscopic understanding of the electron-phonon coupling mechanism in the molecular tunneling junctions is explained in this example. In addition, comparisons of the hydrogen-dissociative and hydrogen-non-dissociative ODT junctions as well as the different charge transfer behaviors are presented to show the effects of thiol formation in the ODT molecular junction. / Dans cette thèse, nous présentons des calculs ab initio de la spectroscopie à effet tunnel par électron inélastique (IETS)appliqués à des jonctions moléculaires. Dans le cadre d'une configuration électrode-molécule-électrode,la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée pour construire l'hamiltonien et les fonctions de Green hors-équilibres(NEGF) sont employées pour déterminer la densité électroniquedans des conditions hors-équilibre. Le cadrede la DFT-NEGF nous permet de calculer des quantités telles que la fonctionnelle d'énergie totale,les forces atomiques ainsi que la matrice de Hessian. L'approximationauto-consistante de Born (SCBA) est employée afin d'intégrer les vibrations moléculaires (phonons) dans le formalisme DFT-NEGF,une fois que le spectre des phonons et les vecteurs propres ont été calculés à partir de la matrice dynamique. Des méthodes d'optimisations géométriques sont aussi discutées en tant que part indispensable du formalisme,étant donné que la condition d'équilibre mécanique est essentielle afin de calculer correctement les propriétés des phonons du système.Afin de surmonter les difficultés numériques, particulièrement concernant la grande demandecomputationnelle requise pour le calcul du couplage électron-phonon, nous développons une approximation numérique pour la self-énergie associée aux phonons. De plus, en employant quelques hypothèses raisonables, nous dérivons une expression pour l'IETS calculée à partir de laseconde dérivée de la courbe I-V dans le butde réduire l'erreur associée à la différentiation numérique. L'utilisation de ces deux approximations diminuent grandement les exigences computationnelles et rendent les calculs possibles avec les capacités numériques actuelles.Comme application du formalisme DFT-NEGF-SCBA, nous calculons l'IETS de la jonction moléculaire or-octanedithiol(ODT)-or. La courbe I-V, la conductance et l'IETS obtenues par calculs ab initio sontdirectement comparées aux données expérimentales. Une compréhension microscopique du couplage électron-phonon pour une jonction moléculaire à effet tunnel est élaborée dans cet exemple. De plus, des comparaisons entre les jonctions ODT à hydrogène dissociatif et à hydrogène non-dissociatif ainsi queles différents comportements de transfert de charges sont présentés afin de montrer les effets de la formation du thiol dans la jonction moléculaire ODT.

Bio-chemical sensors are an emerging and vibrant area of research. The use of micromechanical cantilevers is relatively new as biomechanical recognition detectors. Reactions on a gold coated and chemically functionalized surface produce a mechanical deflection of the cantilever which is used as the input signal of the detector. Within the area of biosensors, DNA-sensors have a wide range of applications such as DNA hybridization detectors, DNA mismatch sequence detectors and protein detectors.We designed and built a microcantilever sensor system which allows for control and characterization of surface conditions. This includes controlled functionalization which can be a dominant factor in signal generation and reproducibility in these systems. Additionally, we developed a multistep functionalization protocol which consists of a sequence of short incubations and characterizations of thiolated ssDNA on a gold-coated cantilever.Multistep functionalization is a new protocol that is used to control the ssDNA surface density on a gold-coated cantilever. Repeatable responses and feasible biosensors are obtained using this protocol. / Les capteurs biochimiques sont un domaine émergent et dynamique de la recherche. L'utilisation de cantilevers micromécaniques est relativement récente en tant que détecteur par reconnaissance biomécanique. Des réactions sur la surface recouverte d'or et fonctionnalisée chimiquement produisent une déviation mécanique du cantilever qui constitue la source de mesure du détecteur. Dans le domaine des biocapteurs, les capteurs d'ADN ont un large champ d'application tel que les détecteurs d'hybridation d'ADN, les détecteurs de mésappariement d'ADN et les aptamères (détecteurs de protéines).Nous avons conçu et construit un système de capteur microcantilever permettant le contrôle et la caractérisation des conditions de surface. Une fonctionnalisation contrôlée est un facteur dominant pour la génération de signal et de la reproductibilité dans ces systèmes. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons développé le protocole de fonctionnalisation en plusieurs étapes qui consiste en une séquence d'incubations de courte durée (5min chacune) et de caractérisations d'ADN simple brin thiolé sur le cantilever recouvert d'or.La fonctionnalisation en plusieurs étapes est un nouveau protocole qui contrôle la densité de surface d'ADN simple brin sur cantilever recouvert d'or. Des réponses reproductibles et des biocapteurs faisables sont obtenus grâce à ce protocole.

Thesis (Ph. D.)--University OF MICHIGAN. / CHAIRPERSON: GORDON L. AMIDON.

DISSERTATION (PH.D.)--THE UNIVERSITY OF MICHIGAN / CHAIRPERSON: GORDON L. AMIDON

There are technologies which exploit a rapid reduction of the gel electrophoretic mobility of DNA arising from partial denaturation. The underlying phenomenon behind these experiments---the mechanisms which reduce the mobility---are not very well understood. Such is the purpose of my thesis. The first chapter provides a brief introduction to the field of polymer physics. The subjects covered are carefully chosen to directly relate to the forthcoming research. There is a published semi-empirical formula used to model the rapid decrease of mobility which is largely considered to be consistent with experimental data. The second chapter of this thesis demonstrates that there is a fundamental confusion in the literature regarding the fitting parameter Lr, in the said formula. By going back to the original derivation, a physical interpretation can be given to L r. This interpretation yields theoretical values which are consistent with what has been published. However, we find that an underlying assumption---that the effect of the denaturation does not depend on its position along the DNA fragment---may systematically overestimate experimental observations of Lr. To measure the impact of this assumption, a simulation model of DNA is presented. The article presented in the third chapter reveals that indeed, the position of the denatured region affects the migration of the DNA fragment. A refined version of the formula which takes these factors into account is proposed. The simulations also reveal that, for certain fields, an unexpected conformation completely dominates during migration of the fragment. This surprising result: a squid-like conformation, is explored in chapter four.

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