Microgels are solvent swollen, cross-linked polymer macromolecules of micro or nanoscale dimensions. In this work, microgels are used as versatile building blocks in layer-by-layer assemblies to form thin coatings. While conceptually simple materials, these microgel-based films actually possess extremely complex behavior as evidenced by two particular areas. First, microgel films have self-healing properties, allowing them to rapidly recover from damage in the presence of solvent. The healing step requires rearrangement of film components, demonstrating the dynamic and mobile nature of the films. Second, fibroblasts display complex behavior on microgel films arising from the properties of the coating. A chemical crosslinking treatment of the film affects the film network structure in a concentration-dependent manner. These network changes result in altered mechanical properties that are the primary controlling factor in determining cell behavior at the interface. These data suggest that fibroblasts are not solely controlled by the film elasticity, but rather by the viscoelasticity, and there is a viscoelastic range that results in maximal cell spreading.

One of the important design criteria for distributed systems and their applications is their reliability and robustness to hardware and software failures. The increase in complexity, interconnectedness, dependency and the asynchronous interactions between the components that include hardware resources (computers, servers, network devices), and software (application services, middleware, web services, etc.) makes the fault detection and tolerance a challenging research problem. In this dissertation, we present a self healing methodology based on the principles of autonomic computing, statistical and data mining techniques to detect faults (hardware or software) and also identify the source of the fault. In our approach, we monitor and analyze in real-time all the interactions between all the components of a distributed system using two software modules: Component Fault Manager (CFM) to monitor all set of measurement attributes for applications and nodes and Application Fault Manager (AFM) that is responsible for several activities such as monitoring, anomaly analysis, root cause analysis and recovery. We used three-dimensional array of features to capture spatial and temporal features to be used by an anomaly analysis engine to immediately generate an alert when abnormal behavior pattern is detected due to a software or hardware failure. We use several fault tolerance metrics (false positive, false negative, precision, recall, missed alarm rate, detection accuracy, latency and overhead) to evaluate the effectiveness of our self healing approach when compared to other techniques. We applied our approach to an industry standard web e-commerce application to emulate a complex e-commerce environment. We evaluate the effectiveness of our approach and its performance to detect software faults that we inject asynchronously, and compare the results for different noise levels. Our experimental results showed that by applying our anomaly based approach, false positive, false negative, missed alarm rate and detection accuracy can be improved significantly. For example, evaluating the effectiveness of this approach to detect faults injected asynchronously shows a detection rate of above 99.9% with no false alarms for a wide range of faulty and normal operational scenarios.

The pursuit of dense monolithic integration and higher operating speed continues to push the integrated circuit (IC) fabrication technologies to their limits. The increasing process variation, associated with aggressive technology scaling, is having a negative impact on circuit yield in current IC technologies, and the problem is likely to become worse in the future. Circuit solutions that are more tolerant of the process variations are needed to fully utilize the benefits of technology scaling. The primary goal of this research is to develop high-frequency circuits that can deliver consistent performance even under the threat of increasing process variation. These circuits can be used to build ``self-healing" systems, which can detect process imperfections and compensate accordingly to optimize performance. In addition to improving yield, such adaptive circuits and systems can provide more robust and efficient solutions for a wide range of applications under varying operational and environmental conditions.Silicon-germanium (SiGe) BiCMOS technology is an ideal platform for highly integrated systems requiring both high-performance analog and radio-frequency (RF) circuits as well as large-scale digital functionality. This research is focused on designing circuit components for a high-frequency wideband self-healing receiver in SiGe BiCMOS technology. An adaptive image-reject mixer, low insertion-loss switches, a wideband low-noise amplifier (LNA), and a SiGe complementary LC oscillator were designed. Healing algorithms were developed, and automated self-healing of multiple parameters of the mixer was demonstrated in measurement. A monte-carlo simulation based methodology was developed to verify the effectiveness of the healing procedure. In summary, this research developed circuits, algorithms, simulation tools, and methods that are useful for building "self-healing" systems.

Au cours des dernières décennies, le concept de « matériaux intelligents » a suscité un intérêt en croissance rapide en raison de l'apparition de plusieurs nouveaux types de matériaux polymères qui sont capables d'accomplir une fonction désirée en réponse à un stimulus spécifique de façon prédéterminée et contrôlée. Deux exemples représentatifs sont les polymères à mémoire de forme (SMPs) et les polymères autoréparables or réparables par un stimulus (SHPs). Ils sont sujets de cette thèse. D'une part, les SMPs sont des matériaux qui ont la capacité de mémoriser une forme spécifique. Après avoir été déformés et fixés à une forme temporaire, ils peuvent récupérer la forme originale et permanente sous l'effet d'un signal stimulant comme la chaleur, la lumière ou un champ électrique. Bénéficiant de la mise en œuvre relativement facile, les SMPs sont une alternative intéressante aux alliages à mémoire de forme bien établis; et ils ont trouvé un large éventail d'applications potentielles allant des implants pour la chirurgie non-invasive aux actionneurs sensibles aux environnements. D'autre part, les SHPs sont des matériaux qui sont capables de réparer des dommages mécaniques (fissures ou fractures) par eux-mêmes ou avec l'aide d’un stimulus externe. Leur développement a un grand intérêt pour améliorer la sécurité, prolonger la durée de vie et réduire le coût de l'entretien des matériaux. Sauf quelques matériaux souples (certains gels et élastomères) qui sont guérissables de façon vraiment autonome, la plupart des SHPs nécessitent l'intervention d'un stimulus comme c’est le cas pour les SMPs. L'objectif principal de cette thèse est de développer de nouveaux SMPs et SHPs contrôlables par un rayonnement lumineux. La stratégie que nous avons utilisée est basée sur l'ajout d'une petite quantité de nanoparticules d'or (AuNPs ) ou de nanotiges d'or (AuNRs) dans un SMP ou SHP pour absorber la lumière visible ou proche infrarouge. L’idée est d’utiliser la chaleur dégagée par les nanoparticules lors de l’absorption de la lumière due à la résonance plasmonique de surface (SPR) pour contrôler les transitions de phase dans les polymères et, par conséquent, de dicter leurs processus de mémoire de forme ou de guérison. Bien qu’un effet photothermique est à l'origine de ces processus, tous les avantages de l'utilisation de la lumière comme stimulus sont conservés, tels que l'activation à distance et le contrôle spatiotemporel. Plusieurs travaux de recherche ont été réalisés au cours de cette thèse, dont les résultats, nous l'espérons, peuvent constituer une contribution de base faisant l'utilisation d’AuNPs et AuNRs une technologie de plate-forme pour le développement des SMPs et SHPs contrôlables par la lumière. En ce qui concerne les SMPs, nous avons d’abord préparé un nouveau matériau nanocomposite AuNP-polymère à base d’oligo(ε-caprolactone) ramifié et réticulé. En faisant usage de chauffage localisé induit par la lumière, nous avons prouvé que la lumière visible peut être utilisée pour activer un processus de récupération de forme de manière sélective spatialement, et pour réaliser plusieurs formes intermédiaires sur-demande. En outre, nous avons constaté qu'en ajustant l'intensité de la lumière laser ou la quantité d’AuNPs, l'élévation locale de la température dans le matériau peut être importante et atteindre une amplitude prédéterminée sans influence défavorable sur ses environs. Cette caractéristique intéressante permet d'utiliser le même SMP pour des applications couvrant un large domaine de températures environnantes. De plus, dans cette étude, nous avons démontré comment l'énergie libérée dans un processus de récupération de forme contrôlé par la lumière peut être utilisée pour accomplir un travail mécanique. Sur la base du projet précédent, nous avons ensuite fait la première démonstration que la polarisation de la lumière peut également être utilisée pour contrôler l'effet de mémoire de forme ainsi que le processus de récupération de forme. À cette fin, nous avons conçu et préparé un SMP anisotrope contenant des AuNRs orientés par étirage de films de poly(alcool de vinyle) (PVA). L'idée est que la quantité de chaleur dégagée par les nanotiges d’or lors de l'exposition à la lumière proche infrarouge, est déterminée par l’absorption de photons qui, pour un matériau anisotrope, est dépendante de la polarisation de la lumière incidente. Nous avons montré qu’en effet, changeant la direction de polarisation du laser incident par rapport à la direction d'étirage du film tout en conservant toutes les autres conditions inchangées, permet de contrôler le degré d'élévation de température dans le matériau, ce qui détermine le processus de récupération de forme. En découvrant ce nouveau moyen de control, cette étude a élargi la boîte à outils pour les SMPs contrôlables par voie optique. Sur le côté SHPs, notre motivation d’exploiter l'approche photothermique est d'aborder la question difficile de la guérison de matériaux mécaniquement forts et dues. En général, une force mécanique élevée (ou une grande dureté) d'un matériau entrave sa capacité d’auto-guérison ou guérison induite par des stimuli en raison du manque de mobilité de chaînes du polymère, sachant que cette mobilité est cruciale pour la diffusion du polymère dans une région fracturée conduisant à la cicatrisation. Nous avons proposé la stratégie consistant à utiliser l'effet photothermique pour provoquer la transition de phase « fusion – cristallisation » pour la réparation. Dans une première étude, par le chargement d'une très petite quantité d’AuNPs dans deux polymères cristallins, le poly(oxyde d' éthylène ) (PEO, T[indice inférieur m~]63 °C) et le polyéthylène de basse densité (LDPE , T[indice inférieur m~]103 °C), nous avons réussi une guérison optique très rapide et efficace, fusionnant deux morceaux de polymère en contact en un seul avec des propriétés mécaniques bien récupérées. Nous avons confirmé le mécanisme de guérison basé sur la fusion des chaînes cristallisées lors de l’exposition à la lumière, suivie de la cristallisation lors du refroidissement après l'extinction du laser. Cette cristallisation des chaines ayant diffusé à travers les surfaces de coupe a pour effet de les fusionner pour la guérison. En plus de l'activation à distance et la capacité de cicatrisation rapide, nous avons aussi démontré le control spatial de la guérison optique car elle a lieu uniquement dans les régions fracturées exposées au laser. Après avoir appris comment utiliser l'effet photothermique découlant de la SPR d’AuNPs pour réaliser le control des processus de mémoire de forme et de guérison dans des polymères séparés, nous avons continué notre effort pour développer des matériaux qui possèdent les deux fonctions de mémoire de forme et de guérison commandées par la lumière. La réalisation d’un tel matériau est aussi une tâche difficile en raison de l'incompatibilité structurelle entre les SMPs et SHPs, puisque la structure de réseau réticulé nécessaire pour le mémoire de forme réduit généralement la mobilité de chaînes requise pour la guérison. Grâce aux connaissances générées par nos recherches, nous avons proposé un design de matériau consistant à réticuler chimiquement un polymère cristallin (PEO) chargé d’une petite quantité d’AuNPs. Notre étude a montré que ce matériau polymère acquise l’effet de mémoire de forme contrôlable par la lumière et la guérison optique rapide dus au même effet de chauffage localisé induit par un laser. En effet, l'effet photothermique peut activer le processus de récupération de la forme du matériau en élevant sa température au-dessus de la T[indice inférieur m] de la phase cristalline et, dans le même temps, permet la cicatrisation de fissures par l'intermédiaire de fusion des chaînes cristallisées sous exposition au laser et la cristallisation ultérieure lors du refroidissement après l’éteinte du laser. De plus, nous avons démontré que ces deux fonctions peuvent être exécutées de manière séquentielle sur le même matériau, sans interférence entre elles. La mise en œuvre simultanée des deux fonctions distinctes dans un seul matériau peut élargir les applications possibles de SMPs et SHPs. Par la suite, nous avons appliqué la stratégie établie avec des polymères cristallins aux hydrogels polymères. Il est connu depuis longtemps qu’il est très difficile d’obtenir des hydrogels mécaniquement robustes pouvant être réparés par effets de stimuli. Nous avons conçu et préparé un hydrogel hybride en chargeant une petite quantité d’AuNPs dans un hydrogel formé par copolymérisation du N, N-diméthylacrylamide (DMA), de l'acrylate de stéaryle (SA) et du N, N'- méthylène bisacrylamide (MBA). La force mécanique de cet hydrogel est donnée par une réticulation chimique qui coexiste avec une réticulation physique due aux chaînes latérales d’alkyles hydrophobes cristallisées. Encore une fois, par le contrôle de la transition de phase de « fusion-cristallisation » des chaînes SA à l'aide d'un laser, l'hydrogel hybride montre à la fois la fonction de mémoire de forme contrôlé par la lumière et la fonction de guérison optique efficace. Une grande contrainte à la rupture supérieure à 2 MPa a été obtenue pour un hydrogel coupé en deux et puis réparé par la lumièr. La dernière, mais non la moindre, contribution portée par l’étude dans cette thèse est une découverte que nous avons faite sur les SHPs. Nous avons observé que l’hydrogel de PVA physiquement réticulé, étant préparé par la méthode de congélation/décongélation, peut s’auto-guérir à la température ambiante sans l’utilisation d’un stimulus ou d'un agent de guérison. Cette découverte est importante étant donné que cet hydrogel est biocompatible et un matériau largement utilisé pour des applications. Notre étude a montré que la clé pour obtenir une guérison autonome efficace de l'hydrogel de PVA ayant une force mécanique relativement élevée est d'avoir une quantité suffisante de groupements hydroxyle libres sur les chaînes de PVA pour ponts-hydrogène et une bonne mobilité de chaîne assurant la diffusion du polymère à travers les surfaces de coupe.

The aim of this study was to develop a new single-part healing system for self-healing composites. The self-healing approach to composite repair has been developed in the last two decades and means that a damaged area can be repaired by material already housed within the structure. The background and development of self-healing has been reviewed. The two main self-healing mechanisms are discussed. To date only two part self healing systems have been examined. These require diffusion of the separate constituents to a single location in order to effect cure and restore strength. Single part adhesives do not have this disadvantage and are therefore very attractive. Several candidate single-part adhesive or resin systems were considered and discussed according to the critical requirements of a self-healing system. A series of experiments was undertaken to evaluate the possibility of candidate adhesive systems being effective for self-healing by focusing on the determination of storage stability and bonding efficiency. The results of storage stability testing showed that the stability of cyanoacrylate and polyurethane adhesives was poor. However silane and polystyrene cements showed good storage stability. Very low bonding efficiency was achieved with polystyrene cement but a 22% strength recovery was obtained with the silane 3-[tris(trimethylsiloxy)silyl]-propylamine. Suggestions for further research into single-part healing systems are also given.

Les composites à fibres et matrice céramiques sont des matériaux structuraux utilisés pour des applications aéronautiques, c'est à dire subissant des contraintes mécaniques et thermiques, en milieux oxydants et corrosifs et à température élevée. La résistance à l’oxydation/corrosion de ces matériaux est liée à leur capacité à s’auto-protéger par la formation d’un oxyde nappant la surface et limitant l’accès de l’oxygène vers le coeur du matériau. Des matrices multi-séquencées auto-cicatrisantes constituées de phases borées ont ainsi été conçues. Elles engendrent la formation d’une phase protectrice borosilicatée par oxydation dès les basses températures (i.e. à partir de 450°C). Lors de leurs applications, les pièces seront soumises à des cyclages thermomécaniques venant modifier la diffusion d’O2 à coeur, la répartition des oxydes liquides ainsi que leur état. La démarche expérimentale mise en place afin de caractériser l’influence de l’oxyde sur le comportement du matériau se dissocie en quatre parties : (i) identifier le comportement intrinsèque mécanique etthermique du matériau (à température ambiante, à haute température sous atmosphère neutre, enfatigue thermique), (ii) mettre en évidence une éventuelle interaction entre l’oxyde présent dans lematériau et le comportement mécanique macroscopique de ce dernier, (iii) déterminer si la viscosité del’oxyde (très dépendante de la température) vient modifier les transfert de charge F/M et (iv) observer quel peut être le comportement du matériau lorsque de la fatigue cyclique est réalisée en même temps qu’une rampe thermique, l’alternance d’ouverture/fermeture des fissures pouvant altérer l’auto-cicatrisation du matériau. / Composites made of Ceramic for both fibers and matrix aimed at being used in aerospace applications, that is to say, under mechanical stresses at high temperatures in oxidizing and corrosive environments. Resistance to oxidation /corrosion of these materials is linked to their ability to self-heal by creating anoxide phase limiting access of oxygen to the bulk of the material. Multi-sequenced self-healingmatrices made of boron containing phases were thus designed to promote the formation of a protective borosilicate phase by oxidation at low temperatures (i.e. starting at about 450°C). Parts made of this material subjected to thermomechanical cycles which will possibly change the distribution of O2 in the bulk as well as that of liquid oxides and their state. The experimental approach developed to characterize the influence of the oxide material behavior dissociates into four parts: (i) identify the intrinsic mechanical and thermal behavior of the material (at room temperature, in neutral atmosphere at high temperature in thermal fatigue), (ii) highlight a possible interaction between the oxide present in the material and the macroscopic mechanical behavior of the composite, (iii)determine if the viscosity of the oxide (very temperature dependent) modifies the charge transferF/M and (iv) observe what may be the behavior of the material when the cyclic fatigue is performed in conjunction with a thermal ramp, alternating the opening /closing of cracks that could alter the self-healing material.

Ceramics have a wide variety of applications due to their unique properties; however, the low fracture toughness leads the formation and propagation of unpredictable cracks, and reduces their reliability. To solve this problem, self-healing adaptive oxides were developed. The aim of the work is to gain new insights into self-healing mechanisms of ceramics and their application. Binary oxide systems were investigated that are at least partially healed through the extrinsic or intrinsic addition of silver or silver oxide to form ternary oxides (e.g., Nb2O5 + Ag → AgNbO3). Sintered pellets and coatings were tested. For self-healing TBCs, model systems that were studied include YSZ-Al2O3-SiC, YSZ-Al2O3-TiC, YSZ-Al2O3-Nb2O5, and YSZ-Al2O3-Ta2O5. Laser cladded samples and sintered pellets were produced to test. The healing process occurs due to the formation of oxidation products and glassy phases depending on the self-healing mechanism. X-ray diffraction was used to explore phase evolution, chemical compositions, and structural properties of these samples. SEM equipped with EDS was used to investigate the chemical and morphological properties for the cross-sectional area. Pin-on-disc test was applied to test tribology performance for Nb2O5-Ag2O system, and infiltration test was applied to test CMAS-resistance for TBCs at elevated temperature. The improvements in the performance of these materials were demonstrated.

The field of self-healing materials is growing dramatically due to the obvious in- centive of having structural materials with the ability to repair damage. Some polymers have demonstrated the ability to heal from damage autonomously[12, 26], when exposed to heat[1], or when punctured[5, 9]. The goal of this research is to develop a "proof-of-concept" polymer composite that has the ability to heal when exposed to an alternating magnetic field. Several types of magnetic particulate were inspected for use in the production of polymer composite test samples. The types of particulate used in sample production were two supplies of γ-Fe₂O₃, one supply of α-Fe₂O₃, and one supply of Ni-Zn Ferrite. Surlyn 8940 was selected as the bulk polymer due to its self-healing qualities[9]. A method for melt mixing the particulate with the polymer in various volume fractions was developed and an SEM was used to study the dispersion of the particulate. Once the polymer composite samples were made, various tests were conducted to characterize the samples in order to determine what effects the particulate had on the prop- erties of the bulk polymer. These tests included differential scanning calorimetry (DSC), rheology, conductivity, and magnetic response. Once the samples were characterized, tests were performed to study the composite polymers ability to heat and heal. These tests included healing microscopy, induction heating, and tensile testing. From this study, it was found that the addition of particulate to the bulk polymer does alter the properties by increasing viscosity and electrical conductivity. However, the addition of particulate does not change the melt temperature, but allows the magnetic hysteresis loop of each composite sample to be revealed through magnetic testing. Through healing microscopy and tensile testing, the polymer composites were found to heal when heated, but at a higher temperature than the pure bulk polymer samples. Each type of polymer composite also heated to varying degrees through magnetic induction. Due to the ability of the polymer composite to heal and heat, a "proof-of-concept" has been provided for a magnetically healing polymer composite. / Master of Science

Cybercrime costs a total loss of about $338 billion annually which makes it one of the most profitable criminal activities in the world. Controlled malware (Botnet) is one of the most prominent tools used by cybercriminals to infect, compromise computer networks and steal important information. Infecting a computer is relatively easy nowadays with malware that propagates through social networking in addition to the traditional methods like SPAM messages and email attachments. In fact, more than 1/4 of all computers in the world are infected by malware which makes them viable for botnet use. This thesis proposes, implements and presents the Self-healing framework that takes inspiration from the human immune system. The designed self-healing framework utilises the key characteristics and attributes of the nature’s immune system to reverse botnet infections. It employs its main components to heal the infected nodes. If the healing process was not successful for any reason, it immediately removes the infected node from the Enterprise’s network to a quarantined network to avoid any further botnet propagation and alert the Administrators for human intervention. The designed self-healing framework was tested and validated using different experiments and the results show that it efficiently heals the infected workstations in an Enterprise network.

The corrosion of infrastructure imposes a significant monetary cost, and at times human cost, upon society. Methods to improve corrosion resistance of materials are described herein which utilize the reversibility of the Diels-Alder reaction to impart thermal responsiveness upon materials. Such stimuli responsiveness can potentially play a role in self healing properties which lead to reduced cracking and thus increased corrosion protection. Reversible Diels-Alder chemistry was utilized to manipulate the surface energy of glass substrates. Hydrophobic dieneophiles were prepared and attached to glass slides and capillaries to yield a nonwetting surface. Thermal treatment of the surfaces cleaved the Diels-Alder linkage, and resulted in the fabrication of a hydrophilic surface. Preliminary analysis utilized contact angle (CA) measurements to monitor the change in surface energy, and observed a hydrophilic state (CA - 70±3°) before attachment of the dieneophile to a hydrophobic state (CA - 101±9°) followed by regeneration of the hydrophilic state (CA - 70±6°) upon cleavage of the Diels-Alder linkage. The treatments were then applied to glass capillaries, with effective treatment confirmed by fluid column measurements. Patterned treatments were also demonstrated to provide effective fluid flow gating. Reversible Diels-Alder linkages were incorporated into polymer thermoset binding resins in order to provide a means by which a crosslinked thermoset could undergo stimuli responsive reversible crosslinking. The binder systems which were utilized included two types of amine curing agents, polydimethylsiloxane (PDMS) and Jeffamine® polyetheramines (PEA), and two types of epoxy resins, EPON resin based on diglycidyl ether of Bisphenol-A and epoxidized soybean oil. Various dienes and dienophiles were employed to functionalize the selected binder systems and were met with various degrees of success. The synthetic technique which proved to be the most promising was the Diels-Alder modification of the epoxidized soybean oil.