Les organismes vivants prennent des décisions en permanence à l’aide de réseau de réactions chimiques couplées (CRN) les unes aux autres. Cette capacité a inspirée de nombreux scientifiques qui cherchent aujourd’hui à construire des versions synthétiques de ces réseaux pour créer des systèmes dynamiques complexes. Les molécules d’ADN constituent une solution idéale pour construire de tels CRNs. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit vise à développer des surfaces actives qui permettent d’interagir avec la PEN toolbox en environnement microfluidique afin de pouvoir utiliser pleinement le potentiel de tels systèmes moléculaires. Nous avons étudié l’utilisation de la PEN toolbox en microfluidique en explorant différents paramètres. Nous discuterons ensuite de la réalisation de surfaces actives et de leur caractérisation. Celles-ci sont concues pour permettre l’immobilisation de brins d’ADN via une liaison thiol et leur largage en solution en rompant électro-chimiquement cette liaison. Nous discuterons également d’aspect technique permettant l’intégration aisée d’une telle stratégie dans des dispositifs microfluidiques. Par la suite, nous montrerons qu’il est possible de contrôler spatio-temporellement le largage d’instructions à base d’ADN. Pour ce faire, nous nous appuierons sur une version plus évoluée de l’auto-catalyseur présenté précédemment. Nous mettrons en évidence qu’il est possible d’initier de façon contrôlée des phénomènes de réaction-diffusion dans des canaux microfluidiques.Pour finir, nous ouvrirons des perspectives pour la conception de surface actives permettant un niveau de contrôle encore plus grand des systèmes moléculaires. / Living organisms perform complex information processing tasks with a help of intertwined chemical reaction networks (CRNs) and diffusion processes. These biological phenomena inspired scientists to design from the bottom-up dynamical systems with complex spatiotemporal behaviour. DNA provides a perfect solution for building these synthetic CRNs. Our research work focused on designing active surfaces with the aim to provide a convenient way to interact in microfluidics with the PEN toolbox (as an example of DNA-based CRNs) and explore the full potential of these novel biochemistry tools. We will study the step by step assembly and optimisation of the PEN toolbox parameters. Next, we will discuss the construction and characterisation of active surfaces, which provide loading and controllable release of DNA input, based on formation and electrochemical cleavage of gold-thiol bond. We will also provide a technological solution to integrate these surfaces and the PEN toolbox in microfluidics. We will show controllable triggering of basic activation and autocatalysis PEN toolbox modules. We will further apply our method for spatiotemporal control of autocatalytic CRNs, which have higher stability then simple autocatalytic module while still providing an exponential signal amplification contrary to the activation module. This approach allows us to investigate and optimise the parameters of our technology. Finally, we will discuss the construction of active surfaces with irreversibly bound DNA, which provides a higher level of the PEN toolbox spatiotemporal behaviour, based on electrical polarisation and tuning the shape of surface-attached DNA patterns.

L’atmosphère est un milieu oxydant au sein duquel les réactions en phase homogène, initiées par des espèces radicalaires (OH notamment), sont prépondérantes. Le chlore atomique peut être l'oxydant le plus important de la couche limite marine à l'aube lorsque la concentration en radicaux OH est faible. L’atmosphère est aussi chargée en particules d’aérosol où des collisions réactives peuvent se produire à l’interface gaz/solide ou gaz/liquide. Il est donc important de prendre en compte les mécanismes élémentaires de chimie hétérogène pour une meilleure description des processus physico-chimiques atmosphériques. L’objectif de cette thèse est d’étudier la réactivité entre le chlore atomique et des particules représentatives des sels marins (NaCl et sels marins synthétiques). Des mesures ont également été effectuées avec du sulfate et du nitrate d’ammonium, composés majoritaires dans les particules secondaires issues de la condensation d’espèces gazeuses d’origine anthropique. Le principe consiste à mettre une phase gazeuse en contact avec une phase solide au sein d’un réacteur à écoulement à parois recouvertes couplé à un spectromètre de masse. Nous cherchons à mesurer la vitesse de réaction et à déterminer le coefficient de capture de ces réactions ainsi que les produits formés. Nous avons fait varier un certain nombre de paramètres : concentration des réactifs, température, présence ou non de vapeurs d’eau. L’analyse de la surface solide après réaction a été réalisée par des techniques de microscopie avancée (XPS, TOF SIMS). / The atmosphere is an oxidizing environment in which the homogeneous phase reactions initiated by radical species (OH in particular) are dominant. Atomic chlorine could be the most important oxidant in the marine boundary layer at dawn when the concentration of OH radicals is low. The atmosphere is loaded with aerosol particles, on the surface of which reactive collisions can occur at the gas / solid or gas / liquid interfaces. It is therefore important to take into account the basic mechanisms of heterogeneous chemistry for a better description of atmospheric chemical and physical processes. The objective of this thesis is to study the reactivity between chlorine atoms and particles representative of sea salts (NaCl and synthetic sea salts). Measurements have also been carried out with ammonium sulfate and nitrate particles, the major components in the secondary particles formed by the condensation of gaseous species of anthropogenic origin. The principle is to put a gas phase in contact with a solid surface in a coated wall flow tube reactor and microwave discharge coupled to a quadrupole mass spectrometer. The contact time between the two phases can be varied inside the reactor. In this work, we have measured the reaction rate and determined the uptake coefficient of these reactions and the possible products formed. Several parameters have been studied: the concentration, the temperature and the presence or absence of surface adsorbed water. The solid surface was analyzed after reaction by advanced microscopy techniques (XPS, TOF SIMS) during this study.

Présent dès les premiers instants de la combustion, les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) jouent un rôle prépondérant dans la formation des suies avant d’être adsorbés par les particules ainsi formées. Les HAP influencent ainsi la quantité, la composition et la morphologie des suies émises pendant la combustion. L'étude de l'évolution de la phase adsorbée de ces particules au sein de la flamme doit permettre de mieux comprendre leur mécanisme de formation ainsi que leur impact sur la santé et l’environnement. Une expérience originale dédiée à une telle étude et basée sur le couplage des techniques de Désorption Laser, Ionisation Laser et Spectrométrie de Masse a été développée pendant cette thèse. Des suies collectées dans des flammes sont irradiées par un laser à 532 nm permettant ainsi la libération des HAP adsorbés. Les HAP sont ionisés par un deuxième laser à 266 nm avant d'être finalement analysés dans un spectromètre de masse à temps de vol. L’interprétation des spectres ainsi obtenus a fait l’objet d’une analyse très approfondie afin de caractériser les étapes de désorption et d’ionisation. Les analyses, réalisées dans différents types de flammes permettent d’identifier les HAP présents à la surface des suies à différents stades de leur formation, l’étendue des spectres variant fortement dans la zone de nucléation des suies. Afin de distinguer les HAP gazeux de ceux adsorbés, une nouvelle méthode de collecte basée sur le dépôt des suies et des HAP gazeux sur des substrats différents a été développée. Par ce biais, l’implication de réactions hétérogènes entre les HAP gazeux et les suies dans la croissance de ces dernières a pu être mise en évidence. / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are important precursors of carbonaceous soot particles, thus influence the quantity and morphology of particulate emission of combustion processes. Furthermore the PAH adsorbed on the surface of the soot particles contribute to the carcinogenicity of the particles, so there is scientific interest in characterising and quantifying those species to provide key information on the mechanism of soot formation and to understand their impact on environment and human health. An original setup based on the coupling of Laser Desorption, Laser Ionisation and Time-Of-Flight Mass Spectrometry techniques has been dedicated to the analysis of PAH desorbed from soot. Briefly, soot is sampled from flames using an extractive vacuum probe and deposed on porous filters. The samples are irradiated with a 532 nm laser beam to promote the desorption of neutral molecules. The ejecta are then ionised with a 266 nm laser beam, and the positive ions produced this way are mass analysed in a TOF-MS. The complete characterisation of the desorption and ionisation process has been the first goal of this work. The acquired expertise allowed investigations on different flames in which the PAH have been identified and studied at different level of their formation. Particularly, relevant differences in the mass spectra have been detected in the soot inception region. A new method based on the deposition of soot on different substrates is proposed in order to distinguish the PAH belonging to the gas-phase during the sampling from those adsorbed on soot particles, hence the role of the heterogeneous reactions between gaseous PAH and soot particles has been highlighted.

Des études cinétiques et des analyses de surface ont été effectuées sur la réaction multiphasique entre le gaz NO2 et des cristaux de NaCl en présence de molécules tensio-actives sous air humide. Ces études de laboratoire contribuent à la validation de processus de chimie atmosphérique suggérés par des campagnes de mesure sur des aérosols d’origine marine. Les vents provoquant des vagues à la surface des océans propulsent de nombreuses gouttelettes d’eau de mer dans la troposphère où elles se déshydratent partiellement et forment l’aérosol marin, constitué de particules de taille micrométrique comportant du NaCl et de nombreux composés mineurs dont des acides gras (stéarique, oléique). Les concentrations en particules peuvent dépasser 20 µg/m3 dans l’air des zones côtières. Des quantités énormes d’oxydes d’azote (NO, NO2) sont émises actuellement par les transports et le chauffage et leur concentrations peuvent dépasser 100 µg/m3 dans les zones fortement antropisées. Le passage de masses d’air d’origine marine dans des zones fortement urbanisées a des impacts négatifs sur la qualité des eaux continentales par des pluies chargées en nitrates et sur la qualité de l’air par des dégagements de gaz chlorés. La cinétique de la réaction montre que la capture de NO2 par NaCl est favorisée a des fortes humidités. Par contre un revêtement d’acides gras réduit peu la production de NaNO3 et l’émission de NOCl. Les études de surfaces par microimagerie Raman polarisée et microscopie à force atomique mettent en évidence des processus de précipitation et de migration de surface dans la production de nanocristaux de NaNO3 et le faible rôle protecteur des molécules tensio-actives. / In this laboratory work we studied an important atmospheric process typical of polluted costal regions: the heterogeneous reaction of a gaseous pollutant of mainly anthropogenic origin, NO2, on NaCl(100), taken as a surrogate for marine aerosol. Evidence of the presence of a native organic coating on field-collected marine aerosol particles inspired us to investigate the effect of insoluble fatty acids on the heterogeneous removal reaction of NOx in the marine boundary layer. The originality of this work consists in coupling reactivity studies with high spatial resolution surface analysis. The surface is followed, before and after reaction, via Raman micro-spectrometry and AFM techniques. Significant modifications in the morphology and orientation of the formed NaNO3 crystals on the surface are found as a function of humidity during the reaction. A thin organic coating on the salt surface is prepared and characterized. The reactivity of the coated/uncoated salt is measured in a static reactor where the gaseous phase composition can be monitored by FTIR spectrometry in different humidities (RH=0-80%). From NO2 and ClNO kinetics we can independently estimate both the uptake and the reaction probability coefficients. The presence of a palmitic or oleic acid coating slightly hinders the reactivity, especially in some humidities. By coupling all experimental information to a simple reactivity model which fits the experimental data well, we can conclude that the NO2/NaCl reaction directly releases a precursor of active chlorine atoms (ClNO) into the atmosphere, even at high humidities.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les benzodiazépines et quinoxalines sont des structures très importantes en chimie médicinale et on les retrouve dans un grand nombre de médicaments commercialisés et cliniquement importants. En plus de démontrer une grande diversité d’activités biologiques et de bonnes propriétés pharmacocinétiques, ces hétérocycles benzo-fusionnés sont capables de mimer plusieurs types de motifs peptidiques et de structures secondaires de protéines. Ces caractéristiques en font des prototypes moléculaires d’un grand intérêt dans l’industrie pharmaceutique pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques. La première partie du mémoire décrit le développement d’une voie de synthèse pour des 3,4-dihydroquinoxalin2-ones polysubstituées en utilisant la stratégie Ugi-déprotection-cyclisation (UDC). Cette méthode rapide et efficace implique une réaction multicomposante de Ugi suivi d’une déprotection simultanément à une cyclisation par substitution nucléophile aromatique. L’étude de la réaction multicomposante a démontré que la formation préliminaire de l’imine était nécessaire pour éviter la présence d’un produit secondaire important, le produit de la réaction multicomposante de Passerini. Une fois cette première étape optimisée, la déprotection et lacyclisation ont également été analysées pour identifier les meilleures conditions réactionnelles. Finalement, les conditions optimales identifiées ont été utilisées pour la production d’une chimiothèque de 3,4-dihydroquinoxalin2-ones qui sera employée dans de futurs tests biologiques. La deuxième partie du mémoire décrit le transfert sur support solide de la synthèse de 1,4-benzodiazépin-3-ones par la stratégie UDC en solution. Différentes résines ont été testées et il a été observé que la réaction de Ugi et la déproctection fonctionnaient très bien sur la plupart d’entre elles. Par contre, l’étape de cyclisation était beaucoup plus difficile. Suite à l’évaluation de plusieurs conditions en solution, l’utilisation des meilleures conditions sur support solide a permis l’obtention d’une 1,4-benzodiazépin-3-one. Il reste encore de l’optimisation à faire, mais ces travaux jettent les fondations pour la synthèse de benzodiazépines sur support solide en utilisant la stratégie UDC. / Benzodiazepines and quinoxalines are very important structures in medicinal chemistry and they can be foundin a great number of marketed and clinically important drugs. In addition to their wide spectrum of biological activities and good pharmacokinetic properties, these benzo-fused heterocycles are able to mimic several types of peptide motifs and protein secondary structures. These characteristics make them very attracting scaffolds in the pharmaceutical industry for the development of new therapeutic agents.The first part of the thesis describes the development of a synthetic route for polysubstituted 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones using the Ugi-deprotection-cyclization (UDC) strategy. This convenient and efficient method involves a Ugi multicomponent reaction followed by simultaneous deprotection and cyclization byaromatic nucleophilic substitution. A first study of the multicomponent reaction showed that preformation of the imine was necessary to avoid the presence of an important side product resulting from the Passerini multicomponent reaction. Once this first step optimized, the deprotection and cyclization were also analyzed to identify the best reaction conditions. Finally, the optimal conditions identified for the different steps were used for the production of a chemical library of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones which will be involved in future biological tests. The second part of the thesis describes the transfer on solid support of the 1,4-benzodiazepin-3-one synthesis by UDC. Different resins were tested and the results showed that the Ugi reaction and deproctection worked very well on most of them. However, the cyclization step was much more difficult. Following the evaluation of several conditions in solution for the cyclization, the use of the best conditions on solid support allowed the preparation of a 1,4-benzodiazepin-3-one derivative. There is still optimization to do for the cyclization step butthis work pave the way for the synthesis of benzodiazepines on solid support by UDC and the preparation of polysubstituted 1,4-benzodiazepin-3-one libraries.

Les bétons alcali-activés à base de laitiers de haut-fourneau et de cendres volantes offrent une alternative à plus faible empreinte écologique au béton de ciment portland. Ainsi, ces bétons dits alcali-activés utilisent des précurseurs à base d’aluminosilicate qui se veulent souvent des résidus industriels en remplacement complet du ciment portland. Ces nouveaux bétons sont des alternatives intéressantes aux bétons usuels, mais le manque de données sur leur durabilité est un frein majeur à leur utilisation. Le but de cette recherche doctorale est d’évaluer la durabilité de ces bétons quant à leur performance aux cycles de gel-dégel, à la résistance à l’écaillage en présence de sels déglaçants, aux changements volumétriques et face à la réaction alcalis-silice. La présence de microfissures en bas âge dans la matrice durcie des bétons alcali-activés résulte vraisemblablement du phénomène de retrait endogène. La quantification de cette microfissuration précoce a été possible via l’application de la méthode d’analyse du Damage Rating Index (DRI) qui a permis de mettre en évidence qu'une augmentation croissante de la teneur en cendres volantes du précurseur se traduit par une diminution de l’ampleur de cette microfissuration. La taille moyenne des pores mesurée des systèmes alcali-activés étudiés est inférieure aux valeurs des systèmes à base de ciment portland et la concentration élevée en ions sodium de la solution interstitielle font augmenter les tensions de surface générées dans les pores lors du phénomène d’autodesiccation. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes de ces travaux ne montrent aucun endommagement après 300 cycles de gel-dégel (Procédure ASTM C 666) avec ou sans l’utilisation d’un agent entraineur d’air. Ces mêmes bétons n’offrent toutefois pas une performance acceptable face à l’écaillage en présence de sels déglaçants avec des masses moyennes écaillées largement supérieures à la limite BNQ de 0,5 kg/m². La présence de microfissures, le ressuage, le lessivage des alcalis et la carbonatation en surface sont trois phénomènes observés qui peuvent expliquer les piètres performances à l’écaillage en présence de sels déglaçants. Les bétons alcali-activés laitiers/cendres volantes offrent différents niveaux de performance face à la réaction alcalis-silice en fonction de la teneur en cendres volantes (20, 30 et 40 %). Une augmentation de la fraction de cendres volantes se traduit par une diminution de l’expansion pour tous les différents granulats réactifs testés. Les bétons alcali-activés laitiers/CV incorporant des granulats réactifs (réactivité moyenne à extrême) montrent des endommagements allant de négligeables à marginaux après 2 ans (CSA A23.2-14A/28A). / Alkali-activated slag and fly ash-based concretes offer a low environmental footprint alternative to conventional portland cement-based concretes. These new materials use aluminosilicate-based precursors that are mostly industrial by-products in replacement of portland cement. To initiate the dissolution of these precursors and the subsequent cohesive paste formation, a highly alkaline solution is needed as activator. Although promising in terms of mechanical properties and chemical attack resistance, more research is needed to validate their long-term durability. Therefore, the main objective of this doctoral research is to evaluate the durability of alkali-activated slag/fly ash concretes regarding volumetric variations, freeze-thaw cycling, surface scaling in presence of deicing salts and alkali-aggregate reactivity. The presence of early-age microcracking in the hardened alkali-activated paste phase of these concretes seems to result mostly from the phenomenon of autogenous shrinkage. The quantification of this early-age microcracking through the Damage Rating Index (DRI) method showed that increasing fly ash contents in alkali-activated slag/fly ash systems results in decreasing values of DRI. When compared to portland cement-based systems, alkali-activated slag/fly ash systems show lower average pore sizes and higher sodium concentrations in their pore solution which both increase the surface tensions generated by self-desiccation. The alkali-activated slag/fly ash concretes of this study show no significant damage when exposed to 300 freeze-thaw cycles (ASTM C 666 Procedure) with or without the use of an air entraining admixture. However, these concretes offer poor performance when exposed to de-icing salts (in freeze-thaw conditions) with average scaling masses largely over the 0.50 kg/m² BNQ limit. Earlyage microcracking, alkali leaching and surface carbonation were observed on all the tested specimens and could explain the overall poor performance of these concretes to surface scaling in presence of de-icing salts. The performance of alkali-activated slag/fly ash concretes with regards to alkalis-silica reaction in the presence of reactive aggregates is mostly influenced by the fly ash content (20, 30 and 40 %). For all the tested reactive aggregates, increasing the fly ash content results in decreasing expansion values. Petrographic examinations (DRI) following the expansion testing confirms the presence of negligible to marginal damage after 2 years of testing in these concretes when incorporating moderately to extremely reactive aggregates.

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Les faisceaux d'ions radioactifs comme l'8He ouvrent de nouvelles perspectives pour étudier l'influence de nouveaux aspects structurels sur les mécanismes de réaction. Cette thèse présente les premières investigations sur les réactions induites par le noyau d'⁸He, faiblement lié et Borroméen, aux énergies autour de la barrière Coulombienne. La faible intensité des faisceaux d'ions radioactifs ( ˜ 10⁵pps ) nécessite le développement de techniques sensibles et sélectives. Une méthode expérimentale a été développée pour mesurer précisément les sections efficaces de fusion. Dans le système ⁸He+¹⁹⁷Au, les fonctions d'excitation de fusion et de transfert de neutron(s) ont été mesurées autour de la barrière. Les sections efficaces différentielles et intégrales pour la diffusion élastique, le transfert de neutron(s) et la fusion ont également été obtenues dans le système ⁸He+⁶⁵Cu à partir de mesures inclusives et exclusives des rayons γ caractéristiques, des particules chargées et des neutrons. Ces résultats expérimentaux et les calculs en voies couplées illustrent l'interconnexion des différents processus. Cette étude permet de comprendre l'influence de la structure interne de l'⁸He sur l'effet tunnel et le transfert de neutron(s) et met en évidence un comportement inattendu au sein de la chaîne isotopique des Héliums. L'étude systématique des fonctions d'excitation de fusion montre que, contrairement aux attentes, l'augmentation de la probabilité de l'effet tunnel sous la barrière Coulombienne associée à la structure interne des noyaux est beaucoup plus importante pour les noyaux "normaux" que pour les noyaux légers "exotiques" faiblement liés.

Les caractéristiques des distributions des produits de fission sont le résultat des propriétés dynamiques et quantiques du processus de déformation du noyau fissionnant. Ces distributions représentent également un intérêt pour la conception de nouveaux réacteurs nucléaires ou pour l'incinération de déchets radioactifs. Jusqu'à présent, notre compréhension de la fission nucléaire reste limitée du fait de restrictions expérimentales. En particulier, les rendements des produits de fission lourds sont difficiles à obtenir avec précision. Dans cette thèse, une technique expérimentale innovante est présentée. Elle repose sur l'utilisation de la cinématique inverse couplée à l'usage d'un spectromètre, dans laquelle un faisceau d'238U à 6 ou 24 A MeV est envoyé sur des cibles légères. Différents actinides, de l'238U au 250Cf, sont produits par réactions de transfert ou de fusion, avec des énergies d'excitation allant d'une dizaine à quelques centaines de MeV selon la réaction et l'énergie du faisceau. Les fragments issus de la fission de ces actinides sont détectés par le spectromètre VAMOS ou le séparateur LISE. Les rendements isotopiques des produits de fission sont entièrement mesurés pour différents systèmes fissionnants. L'excès de neutrons des fragments est utilisé pour caractériser les distributions isotopiques. Son évolution avec l'énergie d'excitation nous procure des informations probantes sur le mécanisme de formation du noyau composé et sa désexcitation. L'excès de neutrons nous renseigne également sur le nombre de neutrons évaporés par les fragments. Le rôle des effets de couches proton et neutron dans la formation des fragments de fission est également discuté.