Les MEMS et NEMS (Micro et Nano ElectroMechanical Systems) connaissent un développement important notamment dans le cadre de la Nanomécanique. Le bon fonctionnement de ces MEMS/NEMS est soumis au contrôle des interactions de surfaces séparées par des distances de l'ordre de 100 nm à 1 Μm. A cette échelle, les forces dominantes peuvent être de nature variée (Van der Waals, Casimir, électrostatique, magnétique,...). Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale par AFM des interactions électrostatiques et de Van der Waals/Casimir entre une microsphère et une surface d'or. Une attention particulière a été apportée à la préparation et à la caractérisation des sondes (microsphère collée sur un microlevier). Ensuite, à partir de l'analyse du bruit et de la sensibilité du système de mesure, nous avons pu montrer notre capacité à mesurer des forces faibles avec une résolution inférieure au piconewton. Par une détection statique, nous avons mesuré précisément des forces capacitives de l'ordre de quelques dizaines de piconewton et pour des distances comprises entre 100 et 500 nm. Nous avons mesuré et quantifié les effets de la déflexion du microlevier sur la détermination de la distance sphère-surface. Par des mesures dynamiques, nous avons étudié le couplage entre un oscillateur (sphère-microlevier) excité mécaniquement ou thermiquement et une surface sous l'effet de la force de Casimir. Enfin, les mesures en mode dynamique, nous ont permis d'aborder l'étude des mécanismes de dissipation associés aux interactions à longue distance. Nous avons ainsi observé la dissipation par couplage électromécanique.

L'idée qui consiste à traiter séparément les parties courte- et longue portée de l'interaction électronique dans la théorie de la fonctionnelle de la densité, par une fonctionnelle de la densité d'une part, et par une description par fonction d'onde d'autre part s'est largement développée récemment. Ce schéma conduit naturellement à la construction d'une fonctionnelle hybride d'un nouveau type, avec la combinaison d'une énergie d'échange de longue portée explicite et d'une fonctionnelle d'échange-corrélation de courte portée appropriée. L'ajout, dans une approche perturbative, d'un terme rendant compte des corrélations dynamiques de longue portée, se présente comme une solution alternative au problème fondamental de l'incorporation des forces de dispersion dans la méthode de la fonctionnelle de la densité, applicable aussi bien au niveau moléculaire qu'en conditions périodiques.

Dans un processus de photoassociation, deux atomes froids de césium absorbent un photon au cours de leur collision pour former une molécule froide électroniquement excitée dans un niveau de rotation et de vibration défini. L'énergie cinétique initiale des atomes libres étant très faible, le processus est résonnant et permet d'effectuer une spectroscopie à haute résolution qui donne accès à des niveaux de vibration de grande élongation, proches de la limite de dissociation. Nous présentons dans cette thèse les spectres des états corrélés à la limite 6S+6P et mettons en évidence le caractère purement longue distance de l'état 1u (6S+6P3/2). Cet état consiste en une paire d'atomes uniquement lié à 1,5 nm par l'interaction électrostatique multipolaire. La modulation de l'intensité des raies pour une progression vibrationnelle donnée reflète la structure nodale de la fonction radiale en onde s de deux atomes en collision dans l'état fondamental. La photoassociation par excitation de l'état 0g-(6S +6P3/2) d'atomes polarisés permet de déterminer les valeurs de la longueur de diffusion de l'état triplet du césium (aT = -530 a0) et du coefficient de Van der Waals de l'état fondamental moléculaire (C6 = 6510 u.a.). La photoassociation d'atomes froids de césium permet aussi la formation de molécules froides dans l'état fondamental singulet ou triplet après émission spontanée des molécules photoassociées. Différents schémas de formation sont caractérisés. Notament, les potentiels en double-puits 0g-(6S+6P3/2) et 1u(6S+6P3/2) présentent un point de Condon à distance intermédiare et constituent un cas idéal pour la formation de molécules froides. Le nuage moléculaire froid est analysé : des températures aussi basses que 20 microKelvins ont été mesurées et la distribution des niveaux de rotation et de vibration est étudiée. Les efficacités pour la réaction de photoassociation et pour la formation de molécules froides sont mesurées et comparées aux calculs théoriques.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation et à la simulation numérique des transitions de phase liquide-vapeur. L'étude effectuée se découpe en deux randes parties: une première où on étudie les phénomènes de transition de phase avec une loi d'état de type Van Der Waals (perte de monotonie de la loi d'état) et une deuxième partie où on choisit une approche alternative avec deux loi d'états. La première partie consiste à étudier les critères visqueux classiques de sélection des solutions du système d'équations utilisé lorsque la loi d'état n'est pas monotone. Les critères classiques ne sélectionnant pas des solutions a priori physiques, un critère plus récent est introduit: le critère visco-capillaire. L'utilisation de ce critère avec un solveur de Riemann exact (sous la contrainte de trouver le zéro d'une fonction non linéaire) permet d'obtenir des résultats mais avec un coût de calcul trop élevé. Une approche alternative est alors envisagée avec deux lois d'états (une pour chaque phase). A l'aide d'un procédé de minimisation de l'action hamiltonienne, un modèle bifluide de changement de phase est proposé. Celui-ci respecte alors le second principe de la thermodynamique. Deux sous-systèmes en sont déduits à l'aide d'un procédé de retour à l'équilibre: mécanique dans un premier temp puis mécanique et thermodynamique dans un deuxième temps. Malgré la faible hyperbolicité du dernier sous-système obtenu, des schémas numériques stables basés sur une méthode de splitting sont proposés. On montre alors que le système ainsi obtenu est naturellement capable de nucléer des bulles de vapeur dans du liquide.

Particles originating from bacteria, fungi (including mold spores, mildew, yeast), pollen, dust mites, and viruses can induce immune responses that trigger allergies and asthma. Carpeting is believed to act as a "sink" where bioparticulates are trapped via adhesive interactions and then are released by foot traffic or cleaning. This scenario can result in an accumulation of contaminants at higher levels than would be found outdoors or in a carpet-less environment. Numerous organizations (school districts, hospitals) have taken steps to remove carpeting, even though this hypothesis remains unproven. While statistical studies exist both in support and denial of the accumulation hypothesis, there is little fundamental understanding of the microscopic-level interactions between carpet and bioparticles. A fundamental understanding of particle affinities with polymers utilized in carpet would help to develop accurate models and address real problems in a rational and productive manner. In addition, a solution to the bioparticulate accumulation problem would have a profound impact on US health, resulting in significant economic savings. More than 20 million people suffer from asthma in the U.S., with children being the most vulnerable. In 2000 there were 9.3 million physician office visits and 1.8 million emergency room visits due to asthma alone, resulting in an estimated $9.4 billion in medical costs and $4.6 billion in lost productivity annually. In this thesis, two measurement techniques were developed to quantify the adhesive interactions between biological particulates and polymeric carpeting materials. Atomic force microscopy (AFM) was used to measure the adhesive interactions of relevant biological particulates (in this case the E. coli bacteria and A. artemisiifolia ragweed pollen grains) with Nylon-6 and Nylon-6,6, polyamide-12 and polystyrene. The adhesion force measurements were modeled using several adhesion theories. We found that the Hamaker models were sufficient for explaining the data, indicating the prominence of van der Waals forces in controlling bioparticle interactions with polyamides. In addition, the geometry of the pollen played a significant role: adhesion forces were approximately a multiple of the number of contact points the grain has with the surface. Forces for E. coli and polyamides were about the same magnitude as polyamide-polyamide surface self-interactions.

Atoms construct the molecules and molecules construct the material substances (with the exceptions as well, e.g.., metals, where atoms directly construct the material substances). Intermolecular interactions play an important role in most of the branches of sciences, ranging from material sciences to biological sciences. Van der Waals interactions are weak intermolecular interactions while hydrogen bonding varies in strength from weak to strong (1 to 40 kcal/mol). The present work focuses on applying some theoretical methods (ab initio and Atoms in Molecules theory) on these interactions to differentiate them with physically meaningful parameters such as hydrogen bond radii and atoms in molecules theory parameters. 1)Defining and calculating H-bond radii have been done using atoms in molecules theory approach which can explain ruling out the presence or absence of an H-bond in an intermolecular interaction. 2) A blue-shift of 200 cm-1 for a weakly bound complex is unprecedented. Our studies on weakly bound complexes showed the blue-shift of 200 cm-1 for H3C•••CIF and shift has been found to be purely from the mixing of normal modes and not because of an interaction. 3)Methane, a symmetric top molecule can act both as H-bond acceptor and donor. The present work shows that methane is rather a better H-bond acceptor than a donor and all the calculated parameters are in favor of this description. 4) Microwave spectrometer is an ultimate tool (at least at present) for structural characterization of the weakly bound complexes accurately. The rotational spectrum of the weakly bound isotopomer weakly bound complexes accurately. The rotational spectrum of the weakly bound isotopomer 13CC5H6•••Ar, which is a symmetric top and gives only “B” rotational constant. Moreover, the A rotational constant of the complex is the same as the rotational constant for 13CC5H6, which has no dipole moment. C2H2 molecule is an astrophysically important molecule as it is present in asymptotic giant branch and T-type stars (Teff<3000K). Due to its various infrared active vibrational modes, C2H2 is one of the most important sources in cool stars. The production of C2H2 infrared spectroscopic data at high temperature is therefore essential to trace back physical characteristics of these objects and to model the radiative transfer in their envelope. The databases such as “HITRAN”, do not have enough data available for stimulating high temperature spectra. Keeping all these objectives in mind, high temperature emission spectrum of acetylene has been recorded around 3µm region of acetylene.

Les polluants et les matières qui transitent dans les cours d'eau peuvent constituer des stocks dans la colonne sédimentaire. Ces dépôts, soumis aux processus d'autoconsolidation, sont sujets au vieillissement et à l'enfouissement, qui augmentent leur temps de résidence dans la colonne sédimentaire par augmentation de leur résistance à l'érosion. Les flux de polluants peuvent être ramenés aux flux de matières sédimentaires, dont l'érosion est décrite par des lois à seuil. Nous proposons une modélisation du seuil d'érosion d'un sédiment cohésif. Ce modèle considère les propri étés cohésives des matières qui composent les couches sédimentaires, en s'appuyant sur la force attractive électrodynamique de contact de Van der Waals. Cette force, que nous avons paramétrée par la granulométrie et la porosité, vient s'ajouter au bilan des forces généralement considéré pour modéliser le seuil d'érosion. Des expériences d'érosion artificielle ont été menées dans un canal à érosion, avec des sédiments naturels prélevés dans la partie en aval du Rhône, pour en évaluer le seuil d'érosion, la granulométrie et la porosité. Les résultats des expériences alimentent la littérature en données expérimentales sur l'érosion de sédiments cohésifs consolidés. Le modèle d'érosion ainsi développé est appliqué dans les conditions expérimentales. Il donne un bon accord avec les mesures. Nous illustrons sa prise en compte dans un modèle de consolidation, permettant de construire des diagrammes du type Mohr pour l'érosion d'un sédiment cohésif faiblement consolidé.

Cette thèse décrit deux études expérimentales distinctes sur des couplages originaux entre un cristal liquide et des surfactants.<br />La première étude porte sur l'organisation de systèmes lyotropes (surfactants et eau) dans un solvant thermotrope anisotrope (cristal liquide). L'existence d'une phase baptisée « nématique transparente » dans un tel système mixte thermotrope-lyotrope de type microémulsion a été en effet récemment débattue. Des expériences de diffusion dynamique de lumière, au voisinage de la transition isotrope-nématique, laissait supposer l'apparition d'une phase intermédiaire, résultant de la compétition entre l'apparition d'un ordre nématique dans le solvant et des effets d'ancrages sur les agrégats.<br />Nous avons caractérisé, dans un premier temps, par diffusion de rayonnement X et neutrons, la morphologie et les interactions d'agrégats, composés de bromure de didodecyldimethylammonium (DDAB) et d'eau, dans le cristal liquide 4-n-pentyl-4'-cyanobiphenyl (5CB) en phase isotrope. L'étude de l'évolution des diagrammes de phases couplée à des expériences de diffusion (X, Lumière et neutrons) a permis de montrer que l'ajout de cosurfactants permettait de faire varier continûment la taille des nanoagrégats. L'ensemble de nos données expérimentales s'explique bien par la présence d'interactions fortes de Van der Waals entre micelles, ce qui justifie en particulier l'absence de transition microémulsion/ lamellaire gonflée dans ce système. L'analyse des facteurs de structure a permis par ailleurs de mettre en évidence une seconde interaction attractive entre micelle, causée par les fluctuations paranématiques du cristal liquide, intervenant essentiellement à l'approche de la transition isotrope-nématique du cristal liquide. Nous discutons de cette nouvelle interaction à la lumière des résultats de nos expériences de diffusion.<br />La deuxième étude porte sur les émulsions directes eau-cristal liquide en présence de surfactants amphotropes que nous avons synthétisés et caractérisés par RMN. La formulation de ces surfactants visait à renforcer leur localisation exclusive à l'interface eau-cristal liquide. Les émulsions obtenues montrent la formation spectaculaire de gouttes allongées cylindriques de type filaments. Les propriétés statiques et dynamiques de ces objets ont été explorées et l'origine de cette instabilité est explicitée. La longueur des microtubes est modifiable par des gradients de concentration ou des variations de température ce qui nous a permis de discuter du mécanisme régissant leur morphologie.

Multiphase flow is a familiar phenomenon from daily life and occupies an important role in physics, engineering, and medicine. The understanding of multiphase flows relies largely on the theory of interfaces, which is not well understood in many cases. To date, the Navier-Stokes-Korteweg equations and the Cahn-Hilliard equation have represented two major branches of phase-field modeling. The Navier-Stokes-Korteweg equations describe a single component fluid material with multiple states of matter, e.g., water and water vapor; the Cahn-Hilliard type models describe multi-component materials with immiscible interfaces, e.g., air and water. In this dissertation, a unified multiphase fluid modeling framework is developed based on rigorous mathematical and thermodynamic principles. This framework does not assume any ad hoc modeling procedures and is capable of formulating meaningful new models with an arbitrary number of different types of interfaces. In addition to the modeling, novel numerical technologies are developed in this dissertation focusing on the Navier-Stokes-Korteweg equations. First, the notion of entropy variables is properly generalized to the functional setting, which results in an entropy-dissipative semi-discrete formulation. Second, a family of quadrature rules is developed and applied to generate fully discrete schemes. The resulting schemes are featured with two main properties: they are provably dissipative in entropy and second-order accurate in time. In the presence of complex geometries and high-order differential terms, isogeometric analysis is invoked to provide accurate representations of computational geometries and robust numerical tools. A novel periodic transformation operator technology is also developed within the isogeometric context. It significantly simplifies the procedure of the strong imposition of periodic boundary conditions. These attributes make the proposed technologies an ideal candidate for credible numerical simulation of multiphase flows. A general-purpose parallel computing software, named PERIGEE, is developed in this work to provide an implementation framework for the above numerical methods. A comprehensive set of numerical examples has been studied to corroborate the aforementioned theories. Additionally, a variety of application examples have been investigated, culminating with the boiling simulation. Importantly, the boiling model overcomes several challenges for traditional boiling models, owing to its thermodynamically consistent nature. The numerical results indicate the promising potential of the proposed methodology for a wide range of multiphase flow problems. / text

During the last decades the specific manipulation of matter on the (sub-) nanometer scale, also known as nanoscience, became possible by technologies such as the scanning tunneling microscope. Nanocatalysts, i.e. catalytic active structures of up to a few nanometers in size, belong to this rather new class of materials. Unlike ordinary ’macroscopic’ catalytic materials, the performance of nanocatalysts does not simply scale, for instance, with the surface to volume ratio of the active material. In this Thesis model nanocatalysts are investigated by means of ab-initio density functional theory calculations. In paper I, we explain the experimentally observed catalytic characteristics of small gold clusters, Au1-4, on a regular magnesium oxide terrace towards the oxidation of carbon monoxide by thoroughly studying the adsorption of CO and O2 on these clusters. In the subsequent paper II, we study the feasibility of a catalytic water-mediated CO oxidation reaction on Au1-4/MgO and find that this reaction mechanism is not assessable for Au2,4/MgO and unlikely for Au1,3/MgO. Papers III and IV concentrate on the reactivity of clusters in the gas phase. Particularly, we focus on the relative stability of Au13 isomers and its potential for O2 dissociation (paper III). We find the lowest energy isomers, which contain a triangular prism at their center surrounded by a ring of the remaining seven atoms, to be generally stable upon O2 adsorption. The dissociation of O2 at certain sites of Au13 is found to be exothermic. In paper IV we performed scans of the Born-Oppenheimer potential energy surfaces of neutral and charged Cu3, Ag3, and Au3 to explore the thermally excited vibrations of these trimers. While the Born-Oppenheimer surface of Cu3 exhibits one fairly deep energy minimum, it is comparatively flat with two shallow minima in the case of Ag3. Hence for Ag3 there exist many thermally accessible geometries in a wide range of angles and bond lengths. For Au3, two distinct energy minima appear, being well-separated by a barrier of 180 meV. Already at room temperature, we find bond lengths changes of up to 5% for the studied trimers. Choosing Au3 as a case study for the changed reactivity of thermally excited modes, we find CO to bind up to 150 meV stronger to the excited cluster. Gold deposited on graphene and graphite was observed to form larger aggregates. In paper V, we study the electronic structures, high mobility, and substrate-mediated clustering processes of Au1-4 on graphene. Already in the 1970s is was speculated that dispersion forces, i.e. van der Waals forces, significantly contribute to the adsorption energies of gold atoms on graphite. We accounted for van der Waals interactions in our density functional theory calculations (paper VI) and investigated the influence of these dispersion forces on the binding of copper, silver, and gold adatoms on graphene. While copper and gold show a mixed adsorption mechanism, i.e. chemical binding plus attraction due to the van der Waals forces, silver is purely physisorbed on graphene. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 719