Ces dernières décennies, les xénolites de péridotites provenant des kimberlites et des basaltes ont contribué de manière déterminante à la compréhension de l'état physico-chimique du manteau supérieur de la Terre dont dépend la modélisation directe de déformation telle que le rebond post-glaciaire. Une telle approche requiert a priori la détermination des conditions physiques P, T et σ dont témoignent la chimie minérale et la texture de ces roches. Un protocole original d'inversion thermodynamique de données expérimentales pour des pyroxènes en équilibre mutuel, a d'abord été développé dans le but d'obtenir un géothermobaromètre fiable. D'autre part, l'étude menée par spectroscopie IRTF de pyroxènes montre que ces minéraux nominalement anhydres (NAMs) contiennent en fait de l'eau sous forme dissoute, de 38 à 450 ppm pour les cpx, et de 19 à 184 ppm pour les opx.Par son rôle perturbateur du réseau cristallin, cette eau affecte directement les propriétés physico-chimiques du manteau terrestre (viscosité, diagrammes de phase, conductivité électrique). La dissolution de cette eau est correlée à fO2, P et T, et seulement indirectement à la chimie des minéraux. Des analyses 1H, 27Al et 29Si MAS RMN sur ces phases contenant des teneurs non négligeables en fer, ainsi que sur des mélanges kaolinite+magnétite, permettent, entre autres, d'authentifier les signatures spectrales de ces pyroxènes naturels mais aussi de quantifier les espèces Al en termes de sites d'occupation. La complémentarité de ces outils, appliqués ici avec succès, ouvre de nouvelles perspectives de compréhension et modélisation des processus profonds.

Pendant ma thèse de doctorat, j’ai eu la grande chance de travailler sur le développement de nouvelles méthodes de deux techniques spectroscopiques complétement différentes : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et la Spectroscopie de Masse par Résonance Cyclotronique Ionique à Transformée de Fourier (FT-ICR/MS). En tant que méthodologiste, mon but principal a été d’améliorer les méthodes existantes et la théorie. En RMN, l’outil fantastique de la manipulation des spins permet la mise en place des séquences d’impulsions, et en FT-ICR, les rapports masse sur charge (m/z) des ions et des fragments d’ions obtenus par différents chemins de fragmentation peuvent être appliqués à des problèmes en chimie, biochimie et médecine. Le manuscrit de ma thèse de doctorat comporte deux parties. Les sujets abordés étant différents, ce manuscrit a été rédigé pour que chaque chapitre puisse être lu indépendamment. La première partie aborde la RMN dans le chapitre I. Dans ce chapitre, nous avons amélioré une méthode développée précédemment dans l’equipe pour l’étude de l’échange rapide des protons par RMN. Nous avons adapté la méthode à l’étude de l’acide aminé histidine, système en apparence simple mais qui s’est avéré très compliqué à l’étude. La deuxième partie de ma thèse de doctorat aborde la spectroscopie de masse et comprend deux chapitres. Dans le chapitre II, nous avons essayé de faire revivre et de mettre en œuvre une méthode longtemps oubliée ; il s’agit de la méthode d’isolement d’ions par éjection sélective (‘notch ejection’) par spectroscopie de masse FT-ICR. Un autre sujet abordé pendant ma thèse, qui est décrit dans le chapitre III, concerne l’utilisation de trois impulsions rf dans une expérience à deux dimensions (2D) ICR. Notre objectif a été de mieux comprendre la complexité du comportement des ions pendant cette expérience 2D ICR, en particulier pour le cas d’impulsions courtes. / This thesis encompasses methodological developments in both nuclear magnetic resonance and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. The NMR section explores the effects of scalar relaxation on a coupled nucleus to measure fast exchange rates. In order to quantify these rates accurately, a precise knowledge of the chemical shifts of the labile protons and of the scalar couplings is normally required. We applied the method to histidine where no such information was available a priori, neither about the proton chemical shifts nor about the one-bond scalar coupling constants J(1H15N), since the protons were invisible due to fast exchange. We have measured the exchange rates of the protons of the imidazole ring and of amino protons in histidine by indirect detection via 15N. Not only the exchange rate constants, but also the elusive chemical shifts of the protons and the coupling constants could be determined. For the mass spectrometry section, the ion isolation project was initiated to study the effect of phase change of radiofrequency pulses. Excitation of ions in the ICR cell is a linear process, so that the pulse voltage required for ejecting ions must be inversely proportional to the pulse duration. A continuous sweep pulse propels the ion to a higher radius, whereas a phase reversal causes the ion to come to the centre. This represents the principle of ‘notch ejection’, wherein the ion for which the phase is reversed is retained in the ICR cell, while the remaining ions are ejected. The manuscript also contains a theoretical chapter, wherein the ion trajectories are plotted by solving the Lorentzian equation for the three-pulse scheme used for two-dimensional ICR. Through our simulations we mapped the ion trajectories for different pulse durations and for different phase relations.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La déformulation d'un produit consiste à déterminer sa composition (échelle moléculaire) et sa microstructure (échelle supramoléculaire) pour expliquer son mécanisme de fonctionnement. Elle se distingue d'une simple analyse chimique par deux aspects :<br>(i) La complexité de constitution des produits formulés résultant du nombre élevé d'ingrédients (5 à 40), qui sont très souvent eux-mêmes des mélanges de molécules<br>(ii) la présence de systèmes microstructurés (émulsions, suspensions, cristaux liquides) au sein des produits formulés qui sont à l'origine de leurs propriétés d'usage.<br>L'objectif de ces travaux a été d'examiner comment les méthodes de RMN (RMN 1D et 2D, DOSY, 2H, HR-MAS) permettent de fournir des informations sur la nature, la composition et la dégradation éventuelle d'ingrédients complexes utilisés en formulation, comme les tensioactifs et les parfums, et sur les microstructures présentes dans des formules liquides à base aqueuse, utilisées en détergence ou cosmétique par exemple.<br><br>La première partie de ce travail souligne l'intérêt de la RMN (expériences 1D et 2D et DOSY) pour la caractérisation à l'échelle moléculaire de matières premières complexes et de leurs dégradations (oxydation et hydrolyse). La RMN s'est en effet révélée très performante pour la différenciation et la quantification d'homologues de tensioactifs non ioniques polyéthoxylés dans des mélanges commerciaux, mais également pour la séparation virtuelle de composés terpéniques dans des huiles essentielles. Elle a également permis l'identification des différents produits d'oxydation de molécules parfumées, sans nécessiter de séparation physique préalable, l'analyse en composante principale (ACP) des spectres ayant finalement permis de mettre en évidence l'existence d'intermédiaires réactionnels instables. Enfin, l'étude détaillée de la cinétique d'hydrolyse d'un tensioactif présentant une biodégradabilité élevée a pu être complètement réalisée par RMN.<br><br>Le deuxième volet de ces travaux concerne l'étude à une échelle supramoléculaire de deux nouveaux composés à biodégradabilité élevée, un tensioactif vrai (C9COE4) et un amphiphile à chaîne courte (C3COE1). Cette étude a permis d'évaluer l'apport des expériences de diffusion et de deutérium à la caractérisation de microstructures (Micelles, Cristaux liquides, microémulsions), en systèmes binaire (Tensioactif / Eau) et ternaire (Tensioactif / Eau / huile), et de confirmer la difficulté de caractériser des systèmes formulés avec des amphiphiles courts.<br><br>Finalement, les méthodologies développées sur ces systèmes simplifiés ont été appliquées à l'étude d'un produit formulé fini, un shampooing. Les expériences réalisées ont permis de mettre en évidence un effet synergique lors du mélange des deux tensioactifs utilisés dans la formule (SLES et CAPB). Grâce notamment à l'utilisation d'une sonde HR-MAS, les techniques de RMN développées ont permis d'accéder à des informations sur la composition et la structuration de ce produit fini, montrant que la RMN peut être un outil puissant de déformulation.

En dépit de l'importance considérable des matériaux alumino- et borosilicates pour la catalyse, l'origine moléculaire de leur activité demeure mal comprise. Ceci tient à la difficulté de caractériser le désordre structural local généré au sein du réseau silicaté par l'incorporation d'hétéroatomes. Le caractère local de la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide en fait une technique adaptée pour résoudre cette question majeure. Les silicates en feuillés auto-assemblés en présence de surfactants sont d'excellents systèmes modèles pour l'étude de la structure locale autour d'hétéroatomes de B ou d'Al car la synthèse, la structure moléculaire et la signature RMN 29Si simple de leurs formes siliceuses sont parfaitement maîtrisées. L'incorporation dans leurs réseaux silicatés de différentes quantités d'Al ou de B et leurs conséquences ont été étudiées par des méthodologies avancées de RMN permettant de sonder les interactions à travers l'espace ou les liaisons chimiques entre noyaux de 29Si, 27Al, 11B et/ou 1H, une approche qui peut être étendue à la substitution atomique dans une argile aluminosilicate et un nouveau borosilicate de calcium. Ces résultats ont été combinés à la modélisation moléculaire pour construire et valider des modèles structuraux capables de décrire les distorsions et les réarrangements parfois profonds du réseau résultant de la substitution. Cela a révélé des différences frappantes entre les conséquences de l'incorporation d'Al ou de B dans deux matériaux de morphologie semblables mais de structures moléculaires différentes, et offre une occasion unique de comprendre les propriétés régissant l'incorporation d'hétéroatomes dans les silicates.

Ces dernières décennies, les xénolites de péridotites provenant des kimberlites et des basaltes ont contribué de manière déterminante à la compréhension de l’état physico-chimique du manteau supérieur de la Terre dont dépend la modélisation directe de déformation telle que le rebond post-glaciaire. Une telle approche requiert a priori la détermination des conditions physiques P, T et σ dont témoignent la chimie minérale et la texture de ces roches. Un protocole original d’inversion thermodynamique de données expérimentales pour des pyroxènes en équilibre mutuel, a d’abord été développé dans le but d’obtenir un géothermobaromètre fiable. D’autre part, l’étude menée par spectroscopie IRTF de pyroxènes montre que ces minéraux nominalement anhydres (NAMs) contiennent en fait de l’eau sous forme dissoute, de 38 à 450 ppm pour les cpx, et de 19 à 184 ppm pour les opx.Par son rôle perturbateur du réseau cristallin, cette eau affecte directement les propriétés physico-chimiques du manteau terrestre (viscosité, diagrammes de phase, conductivité électrique). La dissolution de cette eau est correlée à fO2, P et T, et seulement indirectement à la chimie des minéraux. Des analyses 1H, 27Al et 29Si MAS RMN sur ces phases contenant des teneurs non négligeables en fer, ainsi que sur des mélanges kaolinite+magnétite, permettent, entre autres, d’authentifier les signatures spectrales de ces pyroxènes naturels mais aussi de quantifier les espèces Al en termes de sites d’occupation. La complémentarité de ces outils, appliqués ici avec succès, ouvre de nouvelles perspectives de compréhension et modélisation des processus profonds. / Over the last decades, peridotite xenoliths brought up by kimberlites and basalts have largely and critically contributed to the understanding of the physical and chemical state of the Earth’s upper-mantle, a prerequisite for direct modelling of deep deformations such as those at work in post-glacial rebound. Such an approach first requires quantification of the physical conditions (P, T, σ) in control of mineral chemistry and rock textures. An original protocol for thermodynamic inversion of experimental data on mutually-equilibrated pyroxenes, was first developed to obtain a reliable geothermobarometer. Moreover, FTIR spectroscopic studies of pyroxenes show that these nominally anhydrous minerals (NAMs) actually contain dissolved water, from 38 to 450 ppm for cpx’s and from 19 to 184 ppm for opx’s. According to its disruptive action onto the crystalline network, such water directly affects the physical and chemical properties of the Earth’s mantle (viscosity, phase diagrams, electrical conductivity). Dissolution of this water component is correlated to fO2, P and T, but only indirectly to mineral composition. Last, 1H, 27Al and 29Si MAS NMR analyses on the same pyroxenes (as iron-bearing minerals), as well as on kaolinite+magnetite mixes, have authenticated NMR spectra for natural pyroxenes, but have also yielded constraining data on site occupancies, specially for Al. These complementary tools applied here with some success, open new prospects for the understanding and modelling of deep processes.

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

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

Les sondages par Résonance Magnétique des Protons (RMP) est une méthode géophysique non invasive qui permet d'estimer la quantité d'eau dans le sous-sol et la perméabilité du milieu poreux. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les facteurs qui conditionnent la précision des résultats RMP et d'améliorer cette précision. <br />Des études expérimentales incluant des mesures géophysiques, des mesures sur échantillon et des essais de pompage ont été menées sur quatre sites représentant un panel varié de contextes hydrogéologiques. Parallèlement, des modélisations numériques ont permis de tester la sensibilité de la méthode RMP à différents paramètres.<br />Ainsi, la précision d'estimation du toit de nappe dépend de sa profondeur et des propriétés de la zone non saturée. Pour les milieux hétérogènes, une nouvelle méthodologie d'acquisition et d'interprétation 2D/3D des sondages RMP a été développée et validée sur un conduit karstique.<br />Les mesures sur échantillon montrent que la teneur en eau mesurée par RMP a tendance à être sous-estimée par rapport à celle mesurée par RMN ou par des méthodes classiques. La quantité d'eau manquée dépend de la susceptibilité magnétique de la roche. Souvent, la teneur en eau RMP correspond approximativement à la porosité cinématique, mais une relation quantitative entre ces deux paramètres reste à trouver. La précision sur la teneur en eau RMP peut être améliorée par la prise en compte dans l'interprétation de données géologiques et géophysiques.<br />Les transmissivités estimées par RMP donnent des valeurs et des incertitudes similaires à celles obtenues par essai de pompage, et sont utilisables quantitativement dans une modélisation hydrodynamique.

La découverte en 2008 de supraconductivité à relativement haute température (Tc,max = 56K) dans les pnictures de Fer a ravivé les questions fondamentales sur l'origine et la nature de la supraconductivité posés par les supraconducteurs non conventionnels. En particulier, la présence d'une phase antiferromagnétique à proximité de celle supraconductrice dans leur diagramme de phase pose la question du lien entre magnétisme et supraconductivité. Ces supraconducteurs à base de Fe présentent un diagramme de phase générique, mais quelques exceptions remettent en question une description qui se voudrait universelle. Nous avons choisi d'étudier ces cas particuliers grâce à une sonde locale, la résonance magnétique nucléaire (RMN). Nos observations nous ont non seulement permis de comprendre la raison de ces exceptions, mais aussi de s'en servir pour mieux sonder les corrélations magnétiques dans ces matériaux, un ingrédient clé pour la compréhension de la supraconductivité. Premier sujet, la coexistence de supraconductivité et de magnétisme : celle-ci a été observée dans la plupart des supraconducteurs à base de Fer de façon homogène ou inhomogène, mais toujours pour des états magnétiques à faible TN et faibles moments en accord avec des descriptions itinérantes à faibles corrélations. Pourtant un nouveau composé au Sélénium est venu remettre en cause ces conclusions en présentant une apparente coexistence homogène entre une forte supraconductivité macroscopique (Tc ≈ 30K) et un très fort antiferromagnétisme (TN ≈ 600K, moments magnétiques de valeur élevée de 3.3µB). Cette observation suggère donc une description ici plutôt en terme d'isolants de Mott contrairement aux autres supraconducteurs à base de Fer. Nos mesures RMN permettent de montrer en fait l'existence d'une séparation de phase et de statuer sur la stœchiométrie et les propriétés électroniques des différentes phases, pour finalement réconcilier ce composé et les autres familles. Deuxième exception : dans la famille archétype BaFe₂As₂, tous les dopages sur site Fer ou Arsenic ou même l'application de pression mènent à la supraconductivité, sauf dans le cas du dopage au Manganèse ou au Chrome en site Fer, qui ne provoquent pas l'apparition de la supraconductivité. Nos mesures RMN nous ont permis de sonder la nature de la transition magnétique, mais aussi l'état métallique de ces composés substitués. Nous montrons en particulier que le trou supplémentaire du Manganèse substitué à la place du Fer reste en fait localisé sur son site et se manifeste alors par un moment magnétique localisé. Cette étude du dopage par le Manganèse ouvre la voie à l'idée d'utiliser le Manganèse en faible concentration comme source de moments localisés qui polarisent magnétiquement leur environnement. Cette polarisation permet en effet de caractériser la nature même des corrélations de spin. Nous avons donc utilisé la RMN ainsi que la magnétométrie-SQUID pour mesurer cette polarisation dans des composés supraconducteurs pour sonder les corrélations de spins de ces systèmes. Nous concluons que ces corrélations sont plutôt faibles et indépendantes de la température dans les composés dopés en électrons.