No description available.

Ce travail présente une étude théorique des spectres RMN de molécules biologiques. Dans la première partie, les calculs DFT des paramètres RMN (déplacements chimiques et constantes de couplage spin-spin) pour les protons liés à des atomes de carbone ont été réalisés pour quatre métabolites de la prostate: la putrescine, la spermidine, la spermine, et la sarcosine, et trois métabolites du cerveau: l'acétate, l'alanine et la sérine. Une étude théorique systématique, dans l'approche DFT, des paramètres de RMN des métabolites a montré que la méthode B3LYP/6-311++G** est un bon compromis entre la précision et les coûts. Les contributions du solvant ont été évaluées en utilisant le modèle PCM, les effets des isomères, pondérés dans l’approximation de Boltzmann, ont été pris en compte, et les corrections de vibration de point zéro ont été estimées en utilisant une approche perturbative au second ordre. La comparaison avec l'expérience a démontré que tous ces effets sont nécessaires pour améliorer l'accord entre les données calculées et expérimentales, aboutissant à des résultats de grande précision. Dans la deuxième partie, nous avons développé un nouveau modèle, BioShift, qui permet la prédiction des déplacements chimiques des différents noyaux (H, N, C ...) pour des molécules biologiques (protéines, ADN, ARN, polyamine ...). Il est simple, rapide, et comporte un nombre limité de paramètres. La comparaison avec des modèles sophistiqués conçus spécialement pour la prédiction des déplacements chimiques des protéines a montré que Bioshift est concurrentiel avec de tels modèles. / The present work presents a theoretical study of the NMR spectra of biological molecules. In the first part, DFT calculations of the spin-Hamiltonian NMR parameters (chemical shifts and spin-spin coupling constants) for protons attached to carbon atoms have been performed for four prostate metabolites: putrescine, spermidine, spermine, and sarcosine, and three brain metabolites: acetate, alanine, and serine. A theoretical investigation, within the DFT approach, of the NMR parameters of metabolites has shown that the B3LYP/6-311++G** level of calculation is a good compromise between accuracy and costs. Contributions from solvent were evaluated using the PCM model, Boltzmann weighted isomer effects were calculated, and zero-point vibrational corrections were estimated using a second order perturbation approach. Comparison with experiment has demonstrated that all these effects are necessary to improve the agreement between calculated and experimental data. In the second part, we have presented a new model, BioShift, that allows the prediction of chemical shifts of different nuclei (H, N, C…) for biological molecules (proteins, DNA, RNA, polyamine …). It is simple, fast, and involves a limited number of parameters. Comparison with well-known sophisticated models designed especially for the prediction of chemical shifts of proteins showed that Bioshift is competitive with such models.

La maitrise de l'information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n'est actuellement pas possible d'échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu'il est possible d'atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l'information. Ce protocole se base sur l'utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l'amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l'utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu'hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d'un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 μs, ce qui permet d'envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande

A new family of oligonuclear cyano compounds incorporatingtransition (Pt) and main group (Tl) metals bound with anon-buttressed Pt-Tl bond was synthesised in aqueous solution.The metal-metal linkage is formed in the reaction betweenplatinum and thallium in their stable oxidation forms, Pt(II)and Tl(III), orvice versa: Pt(IV) and Tl(I). Four binuclear complexeswith a general composition [(CN)5Pt-Tl(CN)n(aq)]n-(n = 0-3) and a trinuclear species [(NC)5Pt-Tl-Pt(CN)5]3-were identified and structurally characterised insolution by multinuclear NMR, EXAFS and vibrationalspectroscopy. In aqueous solution the complexes exist inequilibrium. The distribution between the species can bealtered by varying the molar ratio Pt/Tl, cyanide concentrationand pH. Stability constants of the compounds weredetermined. A new compound (NC)5PtTl was also prepared in solid and its crystalstructure solved by a combination of X-ray powder diffractionand EXAFS. Altogether the values of195Pt-205Tl spin-spin coupling constants (25-71 kHz),interatomic Pt-Tl distances (2.598-2.638 Å), and vibrationstretching frequencies v (Pt-Tl) (159-164 cm-1) are fully indicative of a direct and unsupportedPt-Tl bond. The calculated values of Pt-Tl force constants(1.56-1.74 N· cm-1) are characteristic for single metal-metal bond.The oxidation status in the compounds can be viewed asintermediate between II and IV for platinum, and between I andIII for thallium, as reflected by the chemical shifts of195Pt and205Tl nuclei, C≡ N stretching frequencies andelectron binding energies. The compounds are capable to undergo a photoinducedtwo-electron transfer between the coupled hetero-metal ions.Upon irradiation into the metal-to-metal charge transferabsorption band, effective photoredox reaction takes place. Itresults in scission of the Pt-Tl bond and formation of variouscomplexes of oxidised platinum (Pt(III, IV)) and reducedthallium (Tl(I)). The values of photodecomposition quantumyields were determined from a stationary photolysis study ofthe heterometallic complexes. Nanosecond laser flash photolysisof the heteronuclear Pt-Tl cyano compounds was performed in thetimescale range 1· 10-6- 5· 10-2s and several intermediate species were detectedand characterised by optical spectroscopy. The heteronuclear Pt-Tl cyano compounds can be furthermodified in terms of their stability, solubility, and lightabsorption characteristics. It has been found that the platinumpentacyano unit of the [(NC)5Pt-Tl(CN)n(aq)]n-species is inert towards the tested ligands,whereas the thallium "part" of the complexes can be tunedsignificantly. A number of complexes [(NC)5Pt-Tl(L)m]x-(L-ligand) were prepared and characterised insolution. Compounds [(NC)5Pt-Tl(nta)(H2O)]3-, [(NC)5Pt-Tl(bipy)(DMSO)3], and [(NC)5Pt-Tl(bipy)2]have been prepared in solid and their structuresdetermined by single-crystal X-ray diffraction. <b>Keywords:</b>thallium, platinum, cyanide, metal-metal bond,non-buttressed, heterobimetallic, photoinduced, electrontransfer, redox reaction, NMR, chemical shift, spin-spincoupling constant, Raman, EXAFS, X-ray diffraction,equilibrium, oxidation state, oxidative addition,photolysis

<p>A new family of oligonuclear cyano compounds incorporatingtransition (Pt) and main group (Tl) metals bound with anon-buttressed Pt-Tl bond was synthesised in aqueous solution.The metal-metal linkage is formed in the reaction betweenplatinum and thallium in their stable oxidation forms, Pt(II)and Tl(III), or<i>vice versa</i>: Pt(IV) and Tl(I). Four binuclear complexeswith a general composition [(CN)₅Pt-Tl(CN)_n(aq)]^n-(n = 0-3) and a trinuclear species [(NC)₅Pt-Tl-Pt(CN)₅]^3-were identified and structurally characterised insolution by multinuclear NMR, EXAFS and vibrationalspectroscopy. In aqueous solution the complexes exist inequilibrium. The distribution between the species can bealtered by varying the molar ratio Pt/Tl, cyanide concentrationand pH. Stability constants of the compounds weredetermined.</p><p>A new compound (NC)₅PtTl was also prepared in solid and its crystalstructure solved by a combination of X-ray powder diffractionand EXAFS. Altogether the values of¹⁹⁵Pt-²⁰⁵Tl spin-spin coupling constants (25-71 kHz),interatomic Pt-Tl distances (2.598-2.638 Å), and vibrationstretching frequencies v (Pt-Tl) (159-164 cm^-1) are fully indicative of a direct and unsupportedPt-Tl bond. The calculated values of Pt-Tl force constants(1.56-1.74 N· cm^-1) are characteristic for single metal-metal bond.The oxidation status in the compounds can be viewed asintermediate between II and IV for platinum, and between I andIII for thallium, as reflected by the chemical shifts of¹⁹⁵Pt and²⁰⁵Tl nuclei, C≡ N stretching frequencies andelectron binding energies.</p><p>The compounds are capable to undergo a photoinducedtwo-electron transfer between the coupled hetero-metal ions.Upon irradiation into the metal-to-metal charge transferabsorption band, effective photoredox reaction takes place. Itresults in scission of the Pt-Tl bond and formation of variouscomplexes of oxidised platinum (Pt(III, IV)) and reducedthallium (Tl(I)). The values of photodecomposition quantumyields were determined from a stationary photolysis study ofthe heterometallic complexes. Nanosecond laser flash photolysisof the heteronuclear Pt-Tl cyano compounds was performed in thetimescale range 1· 10^-6- 5· 10^-2s and several intermediate species were detectedand characterised by optical spectroscopy.</p><p>The heteronuclear Pt-Tl cyano compounds can be furthermodified in terms of their stability, solubility, and lightabsorption characteristics. It has been found that the platinumpentacyano unit of the [(NC)₅Pt-Tl(CN)_n(aq)]^n-species is inert towards the tested ligands,whereas the thallium "part" of the complexes can be tunedsignificantly. A number of complexes [(NC)₅Pt-Tl(L)_m]^x-(L-ligand) were prepared and characterised insolution. Compounds [(NC)₅Pt-Tl(nta)(H₂O)]^3-, [(NC)₅Pt-Tl(bipy)(DMSO)₃], and [(NC)₅Pt-Tl(bipy)₂]have been prepared in solid and their structuresdetermined by single-crystal X-ray diffraction.</p><p><b>Keywords:</b>thallium, platinum, cyanide, metal-metal bond,non-buttressed, heterobimetallic, photoinduced, electrontransfer, redox reaction, NMR, chemical shift, spin-spincoupling constant, Raman, EXAFS, X-ray diffraction,equilibrium, oxidation state, oxidative addition,photolysis</p>

Ce travail présente une étude théorique des spectres RMN de molécules biologiques. Dans la première partie, les calculs DFT des paramètres RMN (déplacements chimiques et constantes de couplage spin-spin) pour les protons liés à des atomes de carbone ont été réalisés pour quatre métabolites de la prostate: la putrescine, la spermidine, la spermine, et la sarcosine, et trois métabolites du cerveau: l'acétate, l'alanine et la sérine. Une étude théorique systématique, dans l'approche DFT, des paramètres de RMN des métabolites a montré que la méthode B3LYP/6-311++G** est un bon compromis entre la précision et les coûts. Les contributions du solvant ont été évaluées en utilisant le modèle PCM, les effets des isomères, pondérés dans l'approximation de Boltzmann, ont été pris en compte, et les corrections de vibration de point zéro ont été estimées en utilisant une approche perturbative au second ordre. La comparaison avec l'expérience a démontré que tous ces effets sont nécessaires pour améliorer l'accord entre les données calculées et expérimentales, aboutissant à des résultats de grande précision. Dans la deuxième partie, nous avons développé un nouveau modèle, BioShift, qui permet la prédiction des déplacements chimiques des différents noyaux (H, N, C ...) pour des molécules biologiques (protéines, ADN, ARN, polyamine ...). Il est simple, rapide, et comporte un nombre limité de paramètres. La comparaison avec des modèles sophistiqués conçus spécialement pour la prédiction des déplacements chimiques des protéines a montré que Bioshift est concurrentiel avec de tels modèles.

Magnetic resonance imaging is a routine and powerful diagnostic technique capable of providing detailed information about the structure and composition of the tissues. This diploma thesis is concerned with the mechanisms of contrast origin and contrast modifications by molecular and nanoparticle contrast agents. First sections of the thesis summarize basic knowledge about pulse sequences and it aims to provide an overview on MRI contrast agent with a special emphasis on paramagnetic gadolinium contrast agents and superparamagnetic nanoparticles. The main purpose of this study is to develop the software called MRICalc, which is able to optimize contrast in MRI images. Based on analysis of signal formula of typical pulse sequences, MRICalc is able to propose the parameters of the pulse sequence for compartment-specific enhancement of the contrast. User chooses from the list of the samples and after calculation he obtains the values of echo time, repetition time and flip angle, all of which simultaneously seem to create the appropriate setting to enhance the contrast. MRICalc also allows to plot contrast function with respect to the chosen parameter. Software, including its graphical user interface, is designed in Python. The sample consists from solution of CuSO4 and distilled water was designed to verify the correct function of MRICalc. Sulphate represents a contrast agent. Preclinical MR system Bruker BioSpec 94/30 USR located at Institute of Scientific Instruments of the ASCR, v.v.i was used to measure contrast curve of FLASH pulse sequence, which is a typical representative of gradient echo. Results of the measurement were compared to the theoretical model provided by MRICalc.

Le développement de la technologie CMOS a déclenché une révolution dans la production IC. Chaque nouvelle génération technologique, par la mise à l’échelle des dimensions, a entraîné une accélération de son fonctionnement et une réduction de sa consommation. Cependant, la miniaturisation sera contrainte par les limites physiques fondamentales régissant la commutation des dispositifs CMOS dès lors que la technologie atteint des dimensions inférieures à 10 nm. Les chercheurs veulent trouver d'autres moyens de dépasser ces limites physiques. La spintronique est l’un des concepts les plus prometteurs pour de nouvelles applications de circuits intégrés sans courant de charge. La STT-MRAM est l’une des technologies de mémoires fondée sur la spintronique qui entre avec succès en phase de production de masse. Les opérateurs logiques à base de spin, associés aux métiers, doivent être maintenant étudiés. Notre recherche porte sur le domaine des transistors à effet de champ de spin (spin-FET), l'un des dispositifs logiques fondamentaux à base de spin. Le mécanisme principal pour réaliser un spin-FET consiste à contrôler le spin des électrons, ce qui permet d'atteindre l'objectif de réduction de puissance. De plus, en tant que dispositifs à spin, les spin-FET peuvent facilement être combinés à des éléments de stockage magnétique, tels que la jonction tunnel magnétique (MTJ), pour développer une architecture à «logique non volatile» offrant des performances de hautes vitesses et de faible consommation. La thèse présentée ici consiste à développer un modèle compact de spin-FET et à explorer les possibilités de son application pour la conception logique et la simulation logique non volatile. Tout d'abord, nous avons proposé un modèle à géométrie non locale pour spin-FET afin de décrire les comportements des électrons, tels que l'injection et la détection de spin, le décalage de phase d'angle de spin induit par l'interaction spin-orbite. Nous avons programmé un modèle spin-FET non local à l'aide du langage Verilog-A et l'avons validé en comparant la simulation aux résultats expérimentaux. Afin de développer un modèle électrique pour la conception et la simulation de circuits, nous avons proposé un modèle de géométrie local pour spin-FET basé sur le modèle non-local spin-FET. Le modèle de spin-FET local étudié peut être utilisé pour la conception logique et la simulation transitoire à l'aide d'outil de conception de circuit. Deuxièmement, nous avons proposé un modèle spin-FET à plusieurs grilles en améliorant le modèle susmentionné. Afin d'améliorer les performances du spin-FET, nous avons mis en cascade le canal en utilisant une structure d'injection / détection de spin partagée. En concevant différentes longueurs de canal, le spin-FET à plusieurs grilles peut agir comme différentes portes logiques. Les performances de ces portes logiques sont analysées par rapport à la logique CMOS conventionnelle. En utilisant les portes logiques multi-grille à spin-FET, nous avons conçu et simulé un certain nombre de blocs logiques booléens. La fonctionnalité des blocs logiques est démontrée par le résultat de simulations transitoires à l'aide du modèle spin-FET à plusieurs grilles. Enfin, en combinant le modèle spin-FET et le modèle multi-grille spin-FET avec le modèle d'élément de stockage MTJ, les portes à «logique non volatile» sont proposées. Comme le seul signal de pur spin peut atteindre le côté détection du spin-FET, la MTJ reçoit un courant de pur spin pour le transfert de spin. Dans ce cas, la commutation de la MTJ peut être plus efficace par rapport à la structure conventionnelle MTJ / CMOS. La comparaison des performances entre la structure hybride MTJ / spin-FET et la structure hybride MTJ / CMOS est démontrée par un calcul de retard et de courant critique qui est dérivé de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). La simulation transitoire valide le fonctionnement de la logique non volatile basée sur MTJ / spin-FET. / The development of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology drives the revolution of the integrate circuits (IC) production. Each new CMOS technology generation is aimed at the fast and low-power operation which mostly benefits from the scaling with its dimensions. However, the scaling will be influenced by some fundamental physical limits of device switching since the CMOS technology steps into sub-10 nm generation. Researchers want to find other ways for addressing the physical limitation problem. Spintronics is one of the most promising fields for the concept of non-charge-based new IC applications. The spin-transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is one of the successful spintronics-based memory devices which is coming into the volume production stage. The related spin-based logic devices still need to be investigated. Our research is on the field of the spin field effect transistors (spin-FET), one of the fundamental spin-based logic devices. The main mechanism for realizing a spin-FET is controlling the spin of the electrons which can achieve the objective of power reduction. Moreover, as spin-based devices, the spin-FET can easily combine with spin-based storage elements such as magnetic tunnel junction (MTJ) to construct the “non-volatile logic” architecture with high-speed and low-power performance. Our focus in this thesis is to develop the compact model for spin-FET and to explore its application on logic design and non-volatile logic simulation. Firstly, we proposed the non-local geometry model for spin-FET to describe the behaviors of the electrons such as spin injection and detection, the spin angle phase shift induced by spin-orbit interaction. We programmed the non-local spin-FET model using Verilog-A language and validated it by comparing the simulation with the experimental result. In order to develop an electrical model for circuit design and simulation, we proposed the local geometry model for spin-FET based on the non-local spin-FET model. The investigated local spin-FET model can be used for logic design and transient simulation on the circuit design tool. Secondly, we proposed the multi-gate spin-FET model by improving the aforementioned model. In order to enhance the performance of the spin-FET, we cascaded the channel using a shared spin injection/detection structure. By designing different channel length, the multi-gate spin-FET can act as different logic gates. The performance of these logic gates is analyzed comparing with the conventional CMOS logic. Using the multi-gate spin-FET-based logic gates, we designed and simulated a number of the Boolean logic block. The logic block is demonstrated by the transient simulation result using the multi-gate spin-FET model. Finally, combing the spin-FET model and multi-gate spin-FET model with the storage element MTJ model, the “non-volatile logic” gates are proposed. Since the only pure spin signal can reach to the detection side of the spin-FET, the MTJ receives pure spin current for the spin transfer. In this case, the switching of the MTJ can be more effective compared with the conventional MTJ/CMOS structure. The performance comparison between hybrid MTJ/spin-FET structure and hybrid MTJ/CMOS structure are demonstrated by delay and critical current calculation which are derived from Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. The transient simulation verifies the function of the MTJ/spin-FET based non-volatile logic.

Temperature-sensitive polymers or "smart" polymers are materials that undergo phase separation initiated by temperature change. Some of these polymers possess phase separation temperatures close to human body temperature (37 C), thus offering a wide range of potential applications in controlled drug release or gene delivery systems, bioseparations, tissue engineering, etc. Of the polymers with a phase separation temperature close to 37 C, poly(N- isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(vinyl methyl ether) (PVME) are perhaps the most important and were selected as the subjects of this study. In this work, these two polymers have been examined in the presence of low molecular weight additives, and their colloidal stability evaluated using 1 H NMR (nuclear magnetic resonance) and time-resolved 1 H NMR spin-spin relaxation time T2 experiments. An improved model of the two exchangeable states was applied for a more detailed characterization of the phase separation process. The main focus of this study was to determine the influence of additives on the phase separation behavior of the polymers (phase separation temperature, width of transition, maximum number of polymer chains participating in phase separation), reversibility of the phase separation, dynamics of solvent molecules (water and additive),...

Stimuli-responsive (stimuli-sensitive, intelligent, or smart) polymers are polymer materials which, after small external stimuli, evidently change their physical or chemical properties. Smart polymers can be classified according stimuli they respond to such as: temperature changes, mechanical stress, light irradiation, ultrasonic treatment, application of external magnetic as well as electric field, changes of pH, ionic strength, addition of the chemical agents and presence of biomolecules and bioactive molecules. Stimuli-responsive synthetic polymer systems has attracted considerable attention due to wide range of applications, i.e. controlled drug delivery and release systems, diagnostics, tissue engineering and 'smart' optical systems, as well as biosensors, microelectromechanical systems, coatings, and textiles. Among the types of stimuli for this dissertation temperature, pH and reactive oxygen species (ROS) responsive polymer systems were studied. In case of thermoresponsive polymers, when polymer chains are molecularly dissolved in a good solvent, changes (increasing or decreasing) of temperature result in insolubility (globular nanoparticles formation) of polymer chains, called temperature induced phase-separation. pH responsive polymers change properties such as: solubility, volume (gels),...