The theory of the abyssal abiotic petroleum origin considers oil and natural gas to begenerated in the Earth’s upper mantle. Hydrocarbons migrate further through the deep faults into the Earth’s crust, where they can form oil and gas deposits in any kind of rock in any kind of structural position. Until recently one of the main obstacles for further development of this theory has been the lack of the data covering processes of generation and transformations of hydrocarbons. Experimental data, presented in this thesis, confirms the possibility of hydrocarbons formation from mantle inorganic compounds (water, Fe, CaCO3 or graphite) at temperature and pressure of the upper mantle (1500 K and 5 GPa). Experiments were carried out in CONAC high pressure device and multianvil apparatus BARS. Compositions of received gas mixtures were similar to natural gas. Quantity of hydrocarbons depended on the cooling regime of reaction mixture under pressure. Slow cooling favored higher quantity. We found that donor of carbon (CaCO3 or graphite) determines formation of “dry” (methane-rich) gas or “wet” (light hydrocarbons-rich) gas. Experiments in laser-heated diamond anvil cells showed that methane and ethane partially react under upper mantle thermobaric conditions (2-5 GPa, 1000-1500 K) to form mixture of hydrocarbons: methane, ethane, propane and n-butane – main compounds of natural gas. Similarity of final product mixture obtained from methane and ethane means thermodynamic stability of hydrocarbons in the thermobaric conditions of the upper mantle and equilibrium character of the observed processes. / QC 20101203

第22回名古屋大学年代測定総合研究センターシンポジウム平成21(2009)年度報告

Deux thématiques sont développées dans la présente thèse. Tout d'abord, des surfaces de molybdène nues et carburées sont étudiées à l'aide de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité – DFT – appliquée aux systèmes périodiques. Les propriétés électroniques et structurales des surfaces 100, 110 et 111 du molybdène cristallin et p(1x1)-C, c(2x2)-C et c(3√2x√2)R45°-C Mo(100), p(4x4)-C Mo(110) et p(6x1)-C Mo(111) sont déterminées. L'activité de la surface p(4x4)-C Mo(110) vis-à-vis de l'adsorption de CO est abordée par la détermination des modes de vibration du monoxyde de carbone coordiné à divers sites de surface. Le modèle de surface proposé est validé par une comparaison des données expérimentales et théoriques.<br /> L'étude de la fonctionnalisation de surfaces carbonées - graphite et nanotube (8,0) - par un atome de métal de transition est réalisée par des calculs DFT. Il est déterminé que les atomes de Cr, Mn et Cu sont physisorbés alors que les autres atomes de la série 3d sont chimisorbés. L'occupation de l'orbitale 4s pour Cr, Mn et Cu conduit à une répulsion métal-surface, quelque soit la courbure du plan graphitique. Les surfaces d'énergie potentielle sont déterminées pour évaluer les barrières de diffusion. Sc, Ti, Fe et Co sont les métaux susceptibles d'être isolés en surface. Les autres diffusent (formation d'aggrégats). Le magnétisme, l'énergie d'adsorbtion et la structure géométrique sont analysés à l'aide de l'étude des densités d'états, des charges de Bader et de diagrammes orbitalaires de molécules organométalliques modèles. <br /> Finalement, l'activation du dihydrogène par un métal 3d de surface est étudiée. Des complexes dihydrures et d'hydrogène moléculaire sont localisés en surface. La faible élongation de la liaison s HH est observée préférentiellement pour Fe, Co et Ni tandis que la rupture de la liaison apparaît pour Sc, Ti et V. La saturation de certains métaux par adsorption de plusieurs molécules d'hydrogène est entreprise. Il est montré que ces matériaux hypothétiques pourraient stocker l'hydrogène.<br /> La création d'un cluster d'ordinateurs pour le calcul numérique est présentée. L'originalité consiste à utiliser des ordinateurs dédiés à l'enseignement et utilisables en dehors de ces périodes.

The submerged entry nozzle (SEN) is used to transport the molten steel from a tundish to a mould. The main purpose of its usage is to prevent oxygen and nitrogen pick-up by molten steel from the gas. Furthermore, to achieve the desired flow conditions in the mould. Therefore, the SEN can be considered as a vital factor for a stable casting process and the steel quality. In addition, the steelmaking processes occur at high temperatures around 1873 K, so the interaction between the refractory materials of the SEN and molten steel is unavoidable. Therefore, the knowledge of the SEN behaviors during preheating and casting processes is necessary for the design of the steelmaking processes  The internal surfaces of modern SENs are coated with a glass/silicon powder layer to prevent the SEN graphite oxidation during preheating. The effects of the interaction between the coating layer and the SEN base refractory materials on clogging were studied. A large number of accretion samples formed inside alumina-graphite clogged SENs were examined using FEG-SEM-EDS and Feature analysis. The internal coated SENs were used for continuous casting of stainless steel grades alloyed with Rare Earth Metals (REM). The post-mortem study results clearly revealed the formation of a multi-layer accretion. A harmful effect of the SENs decarburization on the accretion thickness was also indicated. In addition, the results indicated a penetration of the formed alkaline-rich glaze into the alumina-graphite base refractory. More specifically, the alkaline-rich glaze reacts with graphite to form a carbon monoxide gas. Thereafter, dissociation of CO at the interface between SEN and molten metal takes place. This leads to reoxidation of dissolved alloying elements such as REM (Rare Earth Metal). This reoxidation forms the “In Situ” REM oxides at the interface between the SEN and the REM alloyed molten steel. Also, the interaction of the penetrated glaze with alumina in the SEN base refractory materials leads to the formation of a high-viscous alumina-rich glaze during the SEN preheating process. This, in turn, creates a very uneven surface at the SEN internal surface. Furthermore, these uneven areas react with dissolved REM in molten steel to form REM aluminates, REM silicates and REM alumina-silicates. The formation of the large “in-situ” REM oxides and the reaction of the REM alloying elements with the previously mentioned SEN´s uneven areas may provide a large REM-rich surface in contact with the primary inclusions in molten steel. This may facilitate the attraction and agglomeration of the primary REM oxide inclusions on the SEN internal surface and thereafter the clogging. The study revealed the disadvantages of the glass/silicon powder coating applications and the SEN decarburization. The decarburization behaviors of Al2O3-C, ZrO2-C and MgO-C refractory materials from a commercial Submerged Entry Nozzle (SEN), were also investigated for different gas atmospheres consisting of CO2, O2 and Ar. The gas ratio values were kept the same as it is in a propane combustion flue gas at different Air-Fuel-Ratio (AFR) values for both Air-Fuel and Oxygen-Fuel combustion systems. Laboratory experiments were carried out under nonisothermal conditions followed by isothermal heating. The decarburization ratio (α) values of all three refractory types were determined by measuring the real time weight losses of the samples. The results showed the higher decarburization ratio (α) values increasing for MgO-C refractory when changing the Air-Fuel combustion to Oxygen-Fuel combustion at the same AFR value. It substantiates the SEN preheating advantage at higher temperatures for shorter holding times compared to heating at lower temperatures during longer holding times for Al2O3-C samples. Diffusion models were proposed for estimation of the decarburization rate of an Al2O3-C refractory in the SEN. Two different methods were studied to prevent the SEN decarburization during preheating: The effect of an ZrSi2 antioxidant and the coexistence of an antioxidant additive and a (4B2O3 ·BaO) glass powder on carbon oxidation for non-isothermal and isothermal heating conditions in a controlled atmosphere. The coexistence of 8 wt% ZrSi2 and 15 wt% (4B2O3 ·BaO) glass powder of the total alumina-graphite refractory base materials, presented the most effective resistance to carbon oxidation. The 121% volume expansion due to the Zircon formation during heating and filling up the open pores by a (4B2O3 ·BaO) glaze during the green body sintering led to an excellent carbon oxidation resistance. The effects of the plasma spray-PVD coating of the Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) powder on the carbon oxidation of the Al2O3-C coated samples were investigated. Trials were performed at non-isothermal heating conditions in a controlled atmosphere. Also, the applied temperature profile for the laboratory trials were defined based on the industrial preheating trials. The controlled atmospheres consisted of CO2, O2 and Ar. The thicknesses of the decarburized layers were measured and examined using light optic microscopy, FEG-SEM and EDS. A 250-290 μm YSZ coating is suggested to be an appropriate coating, as it provides both an even surface as well as prevention of the decarburization even during heating in air. In addition, the interactions between the YSZ coated alumina-graphite refractory base materials in contact with a cerium alloyed molten stainless steel were surveyed. The YSZ coating provided a total prevention of the alumina reduction by cerium. Therefore, the prevention of the first clogging product formed on the surface of the SEN refractory base materials. Therefore, the YSZ plasma-PVD coating can be recommended for coating of the hot surface of the commercial SENs.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετήσει τη μηχανική απόκριση α) απλά τοποθετημένων γραφενίων, 1LG, και β) πρότυπων πολυμερικών πολυστρωματικών νανοσυνθέτων, n-LG, κατά την εφαρμογή μονοαξονικών παραμορφώσεων μέσω της Φασματοσκοπίας Raman. Τα εξεταζόμενα n-LG παρασκευάστηκαν με την μέθοδο της μηχανικής αποφλοίωσης και τοποθετήθηκαν πάνω σε πολυμερικό υπόστρωμα χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία. Η διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη α) στη φασματοσκοπία Raman των n-LG, β) στην απόκριση των n-LG υπό μονοαξονικές εφελκυστικές και θλιπτικές παραμορφώσεις, κάμπτοντας το πολυμερικό υπόστρωμα και γ) στην μεταφορά τάσης από το υπόστρωμα σε ένα ακάλυπτο 1LG. Αποτέλεσμα της φασματοσκοπίας Raman είναι ο προσδιορισμός των συχνοτήτων και των ευρών των χαρακτηριστικών κορυφών G και 2D και πώς αυτά μεταβάλλονται καθώς ο αριθμός των στρώσεων, n, αυξάνεται. Επίσης, παρατηρήθηκε η ύπαρξη παραμένουσας παραμόρφωσης, λόγω της μεθόδου μεταφοράς των n-LG πάνω στο πολυμερικό υπόστρωμα και της μορφολογίας του υποστρώματος. Επιπλέον, η παραμένουσα παραμόρφωση αυξάνεται μετα την επικάλυψη των n-LG από ένα λεπτό πολυμερικό υμένιο, με σκοπό την παρασκευή πρότυπων πολυμερικών νανοσυνθέτων υλικών. Κατά την επιβολή εφελκυστικών παραμορφώσεων τα απλά τοποθετημένα 1LG φαίνεται ότι «γλιστράνε» πάνω στο πολυμερικό υπόστρωμα, σε αντίθεση με τα επικαλυμμένα. Επίσης ο διαχωρισμός της κορυφής G στις συνιστώσες G- και G+, παρατηρείται σε όλα τα 1-, 2- και 3LG πρότυπα πολυμερικά σύνθετα υλικά. Αντιθέτως, ο διαχωρισμός της 2D παρατηρείται μόνο στη περίπτωση του 1LG και εξαρτάται από το μήκος κύματος, την πόλωση της προσπίπτουσας μονοχρωματικής ακτινοβολίας και τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό του δείγματος με τον άξονα της παραμόρφωσης. Η συμπεριφορά των συχνοτήτων G-, G+ και 2D σε όλα τα πρότυπα πολυμερικά n-LG δείγματα είναι γραμμική με την παραμόρφωση και οι κλίσεις των ευθειών είναι σχεδόν παρόμοιες ~ -50 cm-1/%. Κατά την επιβολή θλιπτικών μονοαξονικών παραμορφώσεων η απόκριση των G και 2D κορυφών είναι μη γραμμικές για όλα τα n-LG. Η συμπεριφορά περιγράφεται από την θεωρία λυγισμού του Euler και η τιμή της κρίσιμης θλιπτική παραμόρφωση που επέρχεται λυγισμός, εc, εξαρτάται από το μέγεθος των εξεταζόμενων πρότυπων πολυμερικών νανοσύνθετών 1-LG. Τέλος, καταγράφηκε η διασπορά της τάσης για μονοαξονική εφελκυστική παραμόρφωση, συλλέγοντας λεπτομερώς φάσματα Raman κοντά στα άκρα ενός απλά τοποθετημένου 1LG. Για μηδενική παραμόρφωση, είναι εμφανές ότι η αποφλοίωση του γραφίτη ή η μορφολογία του υποστρώματος εισαγάγουν θλιπτικές διατμητικές παραμένουσες παραμορφώσεις στο 1LG. Επίσης, σημαντικοί παράμετροι όπως το μήκος που απαιτείται για την μεταφορά τάσης, 1/β, και το μέγιστο της διεπιφανειακής διατμητικής τάσης, ISSmax, που αναπτύσσεται σε κάθε επίπεδο παραμόρφωσης , προσδιορίστηκαν. Το μήκος μεταφοράς τάσης για το 1LG βρέθηκε να είναι μικρότερο του 1μm, και επιπλέον, κατά την επιβολή εφελκυστικής παραμόρφωσης στο υπόστρωμα, η τάση δεν μεταφέρεται 1LG μέσω διεπιφανειακής διάτμησης, αλλά απευθείας μέσω κύριων δυνάμεων. / The purpose of this thesis is to study the mechanical behaviour of a) simple supported graphene flakes, 1LG, and b) model polymeric multilayer graphene nanocomposites, n-LG, during the application of uniaxial strains, through Raman Spectroscopy. The investigated n-LG samples were prepared by the mechanical exfoliation method and are placed on a polymeric substrate by using a scotch tape. The thesis is divided in three parts, a) the Raman spectroscopy of n-LG, b) the response of the n-LG under uniaxial tensile and compressive strains, by bending the polymeric substrate and c) the stress transfer from the substrate to a simple supported 1LG sample. One result of the Raman spectroscopy is the determination of the frequencies and the widths of the G and 2D peaks and the way they shift, while the number of layers, n, is increased. Also, the presence of initial residual strain is observed due to the method that the n-LG are transferred on the polymeric substrate and also the morphology of the substrate. Moreover, the residual strain increases after the covering of the n-LG flakes by a thin polymeric layer, in order to prepare model polymeric nanocomposites materials. During the application of the tensile strains the simple supported 1LG flakes seem to slip on the polymeric substrate, in the contrary of the covered ones. Also, the splitting of the G peak to the G+ and G- components is observed in all 1-,2- and 3LG model polymeric nanocomposites samples. On the other hand, the splitting of the 2D peak is observed only in the cases of 1LG and depends on the excitation wavelength, the polarization of the incident light and the crystal orientation of the flake with respect to the strain axis. The behaviours of the frequencies G+, G- and 2D peaks in all model polymeric n-LG nanocomposites samples are linear with strain and the slopes are almost the same ~ -50cm-1/%. On applying compressive uniaxial strain the response of G and 2D peaks are not linear in all model polymeric n-LG samples and the behaviour is described by the Euler’s buckling theory and the value of the critical buckling strain, εc, depends on the size of the investigated model polymeric nanocomposites1LG. Finally, the stress distribution for uniaxial tensile strains was recorded, by collecting in detailed Raman spectra near the edges of a simple supported 1LG on a polymeric substrate. For zero strain it is obvious that the mechanical exfoliation technique of graphite or the morphology of the substrate induce compressive shear residual strain on the 1LG. Also, important parameters such as the stress – transfer length, 1/β, and the maximum value of interfacial shear , ISSmax, that is developed in each strain level were determined. The stress – transfer length from the 1LG edges found to be less than 1 μm, and moreover, during the application of tensile strain to the substrate, the stress is not transferred to the 1LG through interfacial shear but by direct normal forces.

Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά σειρές σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με παράμετρο τον τύπο και την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη υψηλών προδιαγραφών. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιηθήκαν μικροσωματίδια, νανοσωματίδια τιτανικού βαρίου και αποφλοιωμένα γραφιτικά νανοεπίπεδα (exfoliated graphite nanoplatelets). Η επιλογή των υλικών είχε ως στόχο να εκμεταλλευτούν σε κοινό σύνθετο σύστημα οι «θετικές» ιδιότητες των συστατικών του, όπως η θερμο-μηχανική σταθερότητα της μήτρας, η υψηλή διαπερατότητα και η σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του τιτανικού βαρίου και οι καλές μηχανικές ιδιότητες μαζί με την υψηλή ειδική αγωγιμότητα των αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων. Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τα παρακάτω συστήματα σύνθετων υλικών, για διάφορες περιεκτικότητες σε ενισχυτική φάση: (α) σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (β) σύστημα νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (γ) σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/εποξειδικής ρητίνης, (δ) υβριδικό σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (ε) υβριδικό σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/ νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης. Την παρασκευή των δοκιμίων ακολούθησε πολύπλευρος χαρακτηρισμός τους. Για λόγους αναφοράς παρασκευάστηκε και μελετήθηκε και δοκίμιο μη ενισχυμένης ρητίνης. Η μορφολογία τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (scanning electron microscopy) και την τεχνική σκέδασης ακτίνων-Χ (x-ray diffraction scattering). Διαπιστώθηκε η επιτυχής διασπορά των νανο-εγκλεισμάτων αλλά και η ύπαρξη μικρών συσσωματωμάτων. Τα φάσματα σκέδασης ακτίνων-Χ πιστοποίησαν την παρουσία των πληρωτικών μέσων που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε κατηγορία σύνθετου συστήματος. Ακολούθησε θερμικός χαρακτηρισμός των σύνθετων υλικών, με στόχο τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσής τους. Η μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων έγινε υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Η στατική συμπεριφορά εξετάστηκε με την τεχνική κάμψης τριών σημείων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε αύξηση του μέτρου ελαστικότητας με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων συστημάτων. Παράλληλα, διαπιστώθηκε μείωση της μηχανικής αντοχής με τη συγκέντρωση πληρωτικού μέσου σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων υλικών που μελετήθηκαν. Η δυναμική μηχανική απόκριση μελετήθηκε με την τεχνική της δυναμικής θερμικής ανάλυσης (dynamic mechanical thermal analysis) σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν αυξημένες τιμές του μέτρου αποθήκευσης, ενώ οι κορυφές της εφαπτομένης απωλειών επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg). Η Tg φαίνεται να διαφοροποιείται ελαφρά με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, άλλοτε προς μεγαλύτερες και άλλοτε προς μικρότερες τιμές. Οι διαφοροποιήσεις αυτές εκφράζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φάσεων και ίσως την πλήρη ή μη διαβροχή των εγκλεισμάτων από τη μήτρα. Η ηλεκτρική απόκριση των σύνθετων συστημάτων εξετάστηκε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος, σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε μέσω των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας, του ηλεκτρικού μέτρου και της ειδικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου. Η χρήση και των τριών φορμαλισμών προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής περισσότερων πληροφοριών για τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των συνθέτων. Διαπιστώθηκε η παρουσία δύο διηλεκτρικών χαλαρώσεων που σχετίζονται με την πολυμερική μήτρα. Αυτές αποδίδονται, στη μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της εποξειδικής ρητίνης (α-χαλάρωση) και στην επαναδιευθέτηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-χαλάρωση). Η παρουσία των εγκλεισμάτων στο εσωτερικό της μήτρας εισάγει ηλεκτρική ετερογένεια με αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου διεπιφανειακής πόλωσης (interfacial polarization). Μη δέσμια φορτία συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια των φάσεων, όπου σχηματίζουν μεγάλα δίπολα που παρουσιάζουν αδράνεια ως προς τον προσανατολισμό τους, παράλληλα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διεπιφανειακή πόλωση είναι η πλέον αργή διεργασία και παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και υψηλές θερμοκρασίες. Το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας, όπως και η ειδική αγωγιμότητα παρουσίασαν αύξηση με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συστημάτων με γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στα συστήματα διερευνήθηκε με χρήση της πυκνότητας ενέργειας υπό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Διαπιστώθηκε αύξηση της αποθηκευόμενης ενέργειας με αύξηση της περιεκτικότητας σε ενισχυτική φάση. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυναμική των χαλαρώσεων μελετήθηκε μέσω διαγραμμάτων Arrhenius, από τα οποία προέκυψαν και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης. Η θερμοκρασιακή γειτνίαση των διεργασιών της α-χαλάρωσης και της διεπιφανειακής πόλωσης οδήγησε σε αλληλοεπικάλυψη των διεργασιών. Από τις ενέργειες ενεργοποίησης που υπολογίστηκαν φαίνεται πως στο δοκίμια της μη ενισχυμένης ρητίνης επικρατεί η συνεισφορά της α-χαλάρωσης, ενώ στα σύνθετα συστήματα επικρατεί η συνεισφορά της διεπιφανειακής πόλωσης. Τα σωματίδια του τιτανικού βαρίου υφίστανται δομικό μετασχηματισμό από την πολική τετραγωνική δομή (σιδηροηλεκτρική φάση) στην μη-πολική κυβική δομή (παραηλεκτρική φάση) σε μία κρίσιμη θερμοκρασία, πλησίον των 130οC. Η μετάβαση αποδείχθηκε μέσω των φασμάτων ακτίνων-Χ και είναι περισσότερο έντονη στην περίπτωση των μικροσωματιδίων. Η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων σχετίζεται με τη θερμικά διεγειρόμενη δομική μετάβαση από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση των εγκλεισμάτων τιτανικού βαρίου, τη μεταβολή του προσήμου του θερμοκρασιακού συντελεστή ειδικής αγωγιμότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η συνύπαρξη σε κοντινές θερμοκρασίες των διεργασιών α-χαλάρωσης και διεπιφανειακής πόλωσης μαζί με την κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης των σιδηροηλεκτρικών εγκλεισμάτων, δυσχεραίνει πολύ την διάκρισή τους. Με την εισαγωγή της διηλεκτρικής συνάρτησης ενίσχυσης (dielectric reinforcing function) έγινε δυνατός ο διαχωρισμός των φαινομένων. Επιπλέον, η συνάρτηση διηλεκτρικής ενίσχυσης προσφέρει τη δυνατότητα εξέτασης της λειτουργικής συμπεριφοράς και της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας, ανεξάρτητα των γεωμετρικών διαστάσεων του υλικού. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων έγινε αντικείμενο συγκρίσεων και συζήτησης. / In this study, series of polymer matrix composite materials were developed and experimentally studied, varying the reinforcing phase content. The employed matrix was a high tech epoxy resin, while reinforcing phase was micro- and/or nano-barium titanate particles, as well as exfoliated graphite nanoplatelets. The choice of the materials was targeting to take advantage in a common composite system of the thermo-mechanical stability of the matrix, the high dielectric permittivity and the ferroelectric behaviour of barium titanate and the enhanced mechanical properties in tandem with the high conductivity of the exfoliated graphite nanoplatelets. The following composite materials systems were fabricated and studied, for various filler contents: (a) barium titante micro-particles/epoxy resin composite system, (b) barium titante nano-particles/epoxy resin composite system, (c) exfoliated graphite nanoplatelets/epoxy resin composite system, (d) barium titante micro-particles/barium titante nano-particles /epoxy resin hybrid composite system, (e) exfoliated graphite nanoplatelets /barium titante nano-partcles /epoxy resin hybrid composite system. The fabrication of the composites was followed by a multiple characterization of the produced specimens. For reference reasons pure resin was also prepared and studied. Systems’ morphology was investigated by means of scanning electronic microscopy and x-ray diffraction scattering. It was ascertained the existence of fine nanodispersions, as well as of small clusters, within the composites. XRD spectra verified the presence of filler in each category of composite systems. Thermal characterization was conducted via differential scanning calorimetry aiming to determine the glass to rubber transition temperature of all studied systems. Mechanical behaviour was investigated under static and dynamic conditions. Static behaviour was determined via three point bending tests at ambient temperature. It was found that modulus of elasticity increases with filler content in all composite systems categories. On the other hand, mechanical strength decreases with filler content. Dynamic response was studied by means of dynamic mechanical thermal analysis in a wide temperature range. Reinforced systems exhibit higher values of storage modulus, while the loss tangent peaks allow the determination of the glass transition temperature Tg. Tg slightly varies with reinforcing phase content, to higher or lower values depending on the type and the amount of filler concentration. These variations express the interactions between the phases of the composites and possibly the uncompleted wetting of the inclusions in some cases. The electrical response of the composite systems was examined by means of broadband dielectric spectroscopy in a wide frequency and temperature range. The analysis of the experimental data was carried out via the dielectric permittivity, electric modulus, and ac conductivity formalisms. The usage of all three formalisms provides the opportunity to extract more information concerning the physical mechanisms occurring within the composites. It was found that two dielectric processes are related to the polymer matrix. These are attributed to the glass to rubber transition of epoxy resin (α-relaxation) and to the re-arrangement of polar side groups of the main polymer chain (β-relaxation). The presence of inclusions within the matrix introduces electrical heterogeneity resulting in the occurrence of interfacial polarization. Unbounded charges accumulate at the interface of the phases, forming large dipoles, which exhibit inertia in orienting themselves parallel to the applied field. Interfacial polarization is the slowest process in the systems and thus it is observed at low frequencies and high temperatures. The real part of dielectric permittivity, as well as, the conductivity increase with reinforcing phase content, especially in the case of the systems with graphite nanoplatelets. The energy storage efficiency was investigated via the density of energy, at constant electric field. It was found that the energy storage capability increases with filler content. Optimum behaviour is displayed by the system with maximum content in graphite nanoplatelets. The dynamics of the relaxations was studied via Arrhenius graphs, from which the values of activation energy were calculated. Interfacial polarization and α-relaxation appear in adjacent temperature ranges, leading in a superposition of both processes. From the calculated values of activation energy it is concluded that in the pure resin specimen the dominating contribution is related to the α-relaxation, while in the composite systems the contribution of interfacial polarization seems to prevail. Barium titanate particles undergo a structural transition from the polar tetragonal structure (ferroelectric phase) to the non-polar cubic structure (paraelectric phase) at a critical temperature closed to 130oC. This transition was proved via XRD spectra and is more intense in the case of barium titanate microparticles. Systems’ functional behaviour is related to the thermally stimulated structural transition from the ferroelectric to the paraelectric phase of barium titanate inclusions, to the change of sign of the temperature coefficient of conductivity, and their ability for energy storage. The coexistence at adjacent temperatures ranges of α-relaxation and interfacial polarization, as well as the critical transition temperature of ferroelectric inclusions, hampers the discrimination of the effects. By introducing the dielectric reinforcing function the discrimination of the processes became possible. Furthermore, the dielectric reinforcing function provides the possibility to examine the functional behaviour and the energy storage efficiency of the systems, neglecting the materials’ geometrical characteristics influence. Finally, experimental results and analysis are compared and discussed.

Dans cette thèse, la spectroscopie Raman résonante UV (SRRUV) est appliquée pour la première fois à l'étude 'in situ' de matériaux carbonés à très haute température (> 2000 K) ou à haute pression (< 1 GPa).La thèse est constituée de trois parties. La première aborde notre travail de caractérisation en SRRUV (1) de films semi conducteurs de diamants ultra-nano-cristalins, (2) des kérogènes issues de météorites chondritiques et de charbons, et (3) des tholins, échantillons de carbone-hydrogène-azote, synthétisés comme analogues de l'atmosphère de Titan.L'intérêt pour ces phases du carbone en planétologie et en science des matériaux nous a poussé à mettre en œuvre leur étude 'in situ' en SRRUV. La seconde partie de la thèse est consacrée au développement d'une platine chauffante, grâce à laquelle les spectres Raman du graphite sous sa forme pyrolitique et HOPG ont été mesurés jusqu'à 2700 K. Ces données valident les modèles anharmoniques théoriques d'interaction électron-phonon et phonon-phonon. Le spectre Raman du graphite a été étalonné en fonction de la température et devient un " thermomètre " à très haute température.Dans la troisième partie de cette thèse, une presse à enclumes opposées a été modifiée pour suivre en SRRUV les changements structuraux de cristaux moléculaires très luminescents. Les vibrations intramoléculaires du cristal de pérylène sont étudiées sous pression par SRRUV. Ce composé est un cristal formé de molécules organiques polyaromatiques, avec des propriétés de semi-conducteur. Les effets de la pression sur certains modes de vibrations sont non linéaires et mettent en évidence des changement structuraux et de planéité de la molécule.

Le démantèlement des réacteurs Uranium Naturel Graphite Gaz génèrera en France environ 23 000 tonnes de déchets radioactifs graphités. La gestion appropriée de ces déchets nécessite de déterminer leur inventaire radiologique et de disposer de données fiables sur la localisation et la spéciation des radionucléides (RN). Le 14C a été identifié comme RN d'intérêt pour le stockage en raison de son inventaire initial important et du risque de présence d'une fraction organique mobile dans l'environnement, lors de la phase de stockage. A ce titre, l'objectif de cette thèse CIFRE, réalisée en partenariat avec EDF, est de mettre en œuvre des études expérimentales permettant de simuler et d'évaluer l'impact de la température, de l'irradiation et de la corrosion radiolytique du graphite sur le comportement migratoire en réacteur du 14C et de son précurseur azote. Les données ainsi acquises sont intégrées dans la deuxième partie de ce travail consacrée à l'étude d'un procédé de décontamination thermique du graphite en présence de vapeur d'eau. La démarche expérimentale consiste à simuler respectivement la présence de 14C et de 14N par implantation ionique de 13C et d'azote (14N ou 15N) dans un graphite de rondin SLA2 vierge. Cette étude montre que dans la gamme de températures du graphite en réacteur (100 - 500°C) et en absence de corrosion radiolytique, le 13C est stable thermiquement quel que soit l'état de structure du graphite. En revanche, les expériences d'irradiation du graphite chauffé à 500°C au contact d'un gaz représentatif du caloporteur radiolysé montrent le rôle synergique joué par les espèces oxydantes et l'endommagement du graphite favorisant la mobilité du 13C par gazéification des surfaces et/ou oxydation sélective du 13C plus faiblement lié. En ce qui concerne l'azote constitutif, il a tout d'abord été démontré que sa concentration en surface atteint plusieurs centaines de ppm (< 500 ppm at.) et décroît en profondeur jusqu'à environ 160 ppm at.. Contrairement au 13C implanté, l'azote implanté migre à 500°C lorsque le graphite est fortement déstructuré (environ 8 dpa) alors qu'il reste stable pour un taux de déstructuration moindre (0,14 dpa). Les expériences montrent également le rôle synergique des excitations électroniques et de la température qui accélèrent le transport de l'azote vers la surface du graphite. Cette migration de l'azote semble se faire sous forme moléculaire d'espèces C-N, C=N voire C N. Après huit heures d'irradiation ces espèces ne sont toutefois pas ou peu relâchées et restent bloquées à la surface. L'étude du procédé de décontamination thermique en présence de vapeur d'eau a nécessité la mise en place d'un dispositif de thermogravimétrie couplé à un générateur de vapeur d'eau ainsi que l'optimisation des paramètres de l'étude. Les influences de la température (700°C et 900°C) et de l'humidité relative (50 % HR et 90 % HR) ont été testées à un débit de gaz humide fixe de 50 mL/min. Dans ces conditions, l'oxydation sélective du carbone implanté a été confirmée.

We have entered the age of big data. Massive datasets are now common in science, government and enterprises. Yet, making sense of these data remains a fundamental challenge. Where do we start our analysis? Where to go next? How to visualize our findings? We answers these questions by bridging Data Mining and Human- Computer Interaction (HCI) to create tools for making sense of graphs with billions of nodes and edges, focusing on: (1) Attention Routing: we introduce this idea, based on anomaly detection, that automatically draws people’s attention to interesting areas of the graph to start their analyses. We present three examples: Polonium unearths malware from 37 billion machine-file relationships; NetProbe fingers bad guys who commit auction fraud. (2) Mixed-Initiative Sensemaking: we present two examples that combine machine inference and visualization to help users locate next areas of interest: Apolo guides users to explore large graphs by learning from few examples of user interest; Graphite finds interesting subgraphs, based on only fuzzy descriptions drawn graphically. (3) Scaling Up: we show how to enable interactive analytics of large graphs by leveraging Hadoop, staging of operations, and approximate computation. This thesis contributes to data mining, HCI, and importantly their intersection, including: interactive systems and algorithms that scale; theories that unify graph mining approaches; and paradigms that overcome fundamental challenges in visual analytics. Our work is making impact to academia and society: Polonium protects 120 million people worldwide from malware; NetProbe made headlines on CNN, WSJ and USA Today; Pegasus won an opensource software award; Apolo helps DARPA detect insider threats and prevent exfiltration. We hope our Big Data Mantra “Machine for Attention Routing, Human for Interaction” will inspire more innovations at the crossroad of data mining and HCI.

[pt] O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de métodos eletroanalíticos empregando elétrodos de grafite-epóxi e diamante dopado com boro para a determinação do antibiótico sulfato de gentamicina, substâncias de interesse biológico (naftoquinonas) e do pesticida trifloxistrobina. O diamante dopado com boro (DDB) apresenta características atraentes de detecção eletroquímica que são úteis em aplicações analíticas baseadas em voltametria e amperometria. Possui uma ampla janela de potencial em soluções aquosas que permitiu a quantificação do fungicida trifloxistrobina (em +1744 mV versus Ag/AgCl(KClsat)) por voltametria de onda quadrada (SWV), em um tampão Britton-Robinson (0,04 mol L-1, pH 4,00 )/acetonitrila 70/30 por cento v/v. A curva de adição de analito foi obtida usando amplitude de pulso 40 mV, freqüência de 30 Hz, passo de potencial de 20 mV. O limite instrumental de detecção foi de 1,4 × 10-7 mol L-1 e a faixa linear dinâmica abrangeram três ordens de grandeza (10-7 a 10-5 mol L-1). As amostras foram analisadas com recuperações de cerca de 80 por cento em amostras de suco de laranja e de 92,4 a 104,0 por cento em amostras de água. Um estudo para avaliar potenciais interferentes foi realizado na presença de outros fungicidas. Estudos diagnósticos indicaram que a oxidação da trifloxistrobina em meio aquoso na superfície do DDB é irreversível, envolvendo duas etapas, cada um com dois elétrons. A degradação UV da trifloxistrobina foi avaliada utilizando o método eletroquímico proposto e a cinética de degradação estabelecida com meia-vida de 1.07 min. A amperometria por injeção em batelada (BIA do inglês batch-injection analysis) com o DDB (operando a +2000 mV) foi utilizada para desenvolver um método para a determinação de sulfato de gentamicina. A extração em fase sólida (SPE do inglês solid-phase extraction), utilizando um cartucho empacotado com um polímero impresso molecularmente, tendo a canamicina como molécula molde, foi utilizada para melhorar a seletividade. O tampão acetato (0,01 mol L-1; pH 4,4) foi utilizado como eletrólito suporte. A oxidação do sulfato de gentamicina ocorreu logo após a injeção do analito (60 microlitros) que entra em contato com a superfície do eletrodo. O cartucho de SPE foi muito eficiente na retenção do analito quando comparado com o polímero não-impresso correspondente (NIP). A curva analítica apresentou resposta linear, a precisão instrumental foi inferior a 3 por cento e o limite de quantificação foi de 2,7 × 10-6 mol L-1. A frequência analítica foi de 90 medições h-1 e nenhum efeito de memória foram observados entre as medidas sequênciais. O desempenho do método proposto foi comparado com o obtido por HPLC-UV e com espectrofotometria de absorção molecular (ambos após derivação química do analito com o-ftalaldeído ou com ninhidrina). O método desenvolvido neste trabalho foi aplicado em formulações farmacêuticas injetáveis e em amostras simuladas, com recuperações próximas de 100 por cento. Para a determinação do lapachol foi utilizada a SWV usando um eletrodo de grafite-epoxi feito no laboratório. O meio eletrolítico utilizado foi uma solução aquosa contendo o surfactante catiônico CTAB (1,2 × 10-4 mol L-1), tampão fosfato (4,0 × 10-2 mol L-1, pH 6,0) e KNO3 (1,0 mol L-1). O surfactante catiônico melhorou a difusão e a interação do analito com o eletrodo, produzindo um processo reversível que melhorou a corrente total medida pelo sistema. O sinal do lapachol foi medido a -470 mV, após pré-concentração a 400 mV durante 140 s, usando frequência de 30 Hz, amplitude de pulso de 40 mV com passo de potencial de 20 mV. O limite instrumental de detecção foi de 0,029 mg L-1 e a faixa linear dinâmica abrangeu duas ordens de grandeza. Na presença de beta-lapachona (isômero estrutural), a seletividade foi obtida pela derivada de primeira ordem do sinal SWV. A determinação do lapachol em extrato etanólico de Tabebuia impetiginosa foi realizada após uma s / [en] The present work aimed to develop electroanalytical methods using graphite-epoxy and boron-doped diamond electrodes for the determination of the antibiotic gentamicin sulfate, substances of biological interest (naphthoquinones) and the pesticide trifloxystrobin. Boron doped diamond (BDD) features attractive electrochemical detection characteristics that are useful in analytical applications based on voltammetry and amperometry. It has a wide potential window in aqueous solutions that allowed the quantification of the fungicide trifloxystrobin (in +1744 mV versus Ag/AgCl(KClsat)) by square-wave voltammetry (SWV) in Britton-Robinson buffer (0.04 mol L-1, pH 4.00) / acetonitrile 70/30 percent v/v electrolyte medium. The analyte addition curve was constructed using 40 mV pulse amplitude, 30 Hz frequency, 20 mV step potential. The instrumental limit of detection was 1.4 × 10-7 mol L-1 and the linear dynamic range covered three orders of magnitude (from 10-7 to 10-5 mol L-1). Recoveries of about 80 percent in orange juice samples and 92.4 to 104.0 percent in water samples. A study to evaluate potential interferences was carried out in the presence of other fungicides. Diagnostic studies indicated that the oxidation of trifloxystrobin in aqueous medium, on the surface of the BDD, is irreversible, involving two steps, each of them with two electrons. UV degradation of trifloxystrobin was studied using the proposed voltammetric method and degradation kinetics with a half-life of 1.07 min was established. Batch injection amperometry (BIA) with BDD (operating at +2000 mV) was used to develop a method for the determination of gentamicin sulfate. Solid phase extraction (SPE) using a cartridge packed with a molecular imprinting polymer made with kanamycin as the template molecule, was used to improve the selectivity. The acetate buffer (0.01 mol L-1; pH 4.40) was used as supporting electrolyte. Oxidation of gentamicin sulfate occurred right after the analyte (60 microlitres solution) comes into contact with the surface of the electrode. The SPE cartridge packed with MIP was very efficient in retaining the analyte when compared to the one packed with the corresponding non-printed polymer (NIP). The analytical curve was linear, the instrument accuracy was less than 3 percent and the limit of quantification was 2.7 × 10-6 mol L-1. The analytical frequency was 90 measurements h-1 and no memory effect was observed between sequential measurements. The performance of the proposed method was compared with that obtained by HPLC-UV and molecular absorption spectrophotometry (both after chemical derivatization of the analyte with o-phthalaldehyde or with ninhydrin). The method was applied in injectable pharmaceutical formulations and in simulated samples, with recoveries close to 100 percent. For the determination of lapachol SWV was employed using a graphite-epoxy electrode made in the laboratory. The electrolytic medium used was an aqueous solution containing the cationic surfactant CTAB (1.2 × 10-4 mol L-1), phosphate buffer (4.0 × 10 -2 mol L-1, pH 6.00) and KNO3 (1.0 mol L-1). The cationic surfactant improved the diffusion and interaction of the analyte with the electrode, producing a reversible process that improved the total current measured by the system. The lapachol signal was measured at -470 mV after preconcentration at 400 mV for 140 s, using a 30 Hz frequency, 40 mV pulse amplitude with a step potential of 20 mV. The instrumental limit of detection was 0.029 mg L-1 and the dynamic linear range comprised two orders of magnitude. In the presence of beta-lapachone (structural isomer), the selectivity was obtained by the first-order derivative of the SWV signal. The determination of lapachol in ethanolic extract of Tabebuia impetiginosa was carried out after a simple separation of the analyte by thin layer chromatography. The results are statistically similar (with 95 percent confidence level) with those performed through HPLC-UV. Studies for the simultaneous determination of beta-lapachone and alpha-lapachone were also successful