<p>In this thesis the interactions in cellulose systems havebeen studied with emphasis on surface forces and adsorptionphenomenon. The study was limited to surfaces and polymers ofinterest for papermaking. During papermaking both therunability of the paper machine as well as the properties ofthe final paper will depend on the molecular interactionsbetween the components present in the suspension. The objectiveof this work was to gain a better understanding of theseinteraction forces and how they are affected by solutionconditions like pH and electrolyte concentration. The maintechniques employed for this purpose were direct surface forcemeasurements using both the interferometric surface forceapparatus (SFA) and the atomic force microscopy (AFM)colloidal-probe technique. In addition, both electronspectroscopy for chemical analysis (ESCA) and AFM imaging wereused for surface characterisation and to study adsorptionbehaviour. Since a smooth and transparent surface is needed forsurface force studies using SFA, Langmuir-Blodgett films ofcellulose were employed.</p><p>The interactions between cellulose surfacesand xylansurfaces were studied. Cellulose is the main constituent of thewood fibre. In close association with cellulose in the cellwall are the hemicelluloses, xylan being a commonhemicellulose. Steric forces were found to dominate theinteractions between these substances in aqueous solutions.Still factors like charge density, solution pH and electrolyteconcentration were important. The adhesion between cellulosesurfaces in air depended on the contact area. The effect of acationic polyelectrolyte on the forces between cellulosesurfaces and between cellulose and mineral surfaces wasinvestigated to obtain a better understanding of the effects ofcationic retention and strength additives. In the presence of acationic polyelectrolyte the forces at large distances weredominated by double-layer repulsion. Bridging attraction was insome cases observed, but the presence and magnitude of thisforce was dependent on the properties of the substratesurface.</p><p>Lignin on the fibre surface affects brightness, swelling andstrength of paper. In addition, dissolved lignin interfereswith added polymers during papermaking. For this reason theadsorption of lignin on cellulose fibre surfaces was explored.The adsorption of lignin was influenced by the concentration oflignin in solution and by the electrolyte composition of thesolution. The retention of lignin was affected by the presenceof a cationic polyelectrolyte and particularly by how thepolyelectrolyte was added. The AFM imaging revealed thestructure of the adsorbed lignin, which varied with the way ofadding the polyelectrolyte, and gave an idea about theadsorption mechanism. The effect of lignin on strengthproperties of paper sheets was also evaluated.</p><p>Keywords: cellulose, hemicellulose, xylan, lignin, surfaceforces, adsorption, polyelectrolyte, SFA, AFM, ESCA,Langmuir-Blodgett films, chitosan, steric forces,bridging,adhesion</p>

Au cours de ce travail, nous avons étudié la dynamique des phospholipides constitutifs des bicouches lipidiques supportées sur des substrats solides. A l'aide d'un dispositif de retour de fluorescence après photoblanchiment (FRAPP : Fluorescence Recovery After Patterned Photobleaching), nous avons mis en évidence différents comportements diffusifs suivant la nature du substrat (rugosité et chimie), le phospholipide et la méthode de préparation de la bicouche. La mesure du coefficient de diffusion en fonction de la température nous a permis d'établir un ensemble de données fiables et reproductibles sur la transition de phase gel-fluide de ces systèmes. Il est apparu que leur diffusion dépendait de la nature du substrat. En effet, sur le verre, où les deux feuillets ont la même dynamique, on observe une transition couplée. Au contraire, sur le mica, le feuillet proximal a une dynamique plus lente que le feuillet distal qui est quasiment libre de toute interaction avec le support. La méthode de préparation s'est également révélée être un paramètre crucial puisque nous avons obtenu une plus grande dispersion des mesures en préparant les bicouches par éclatement de vésicules par rapport à la technique de Langmuir-Blodgett / Langmuir-Schaeffer qui donnent des échantillons sans microdomaines. Nous avons également déterminé les énergies d'activation des différentes phases ainsi que les enthalpies de transition pour les deux phospholipides étudiés. Ce travail constitue une étape primordiale dans la compréhension des mécanismes diffusifs de systèmes plus complexes.

Les peptides antimicrobiens appartiennent au système immunitaire inné de nombreux organismes vivants. Ces peptides permettent une réponse rapide contre l'infection par diverses espèces bactériennes, sans détruire les cellules de l'organisme. Cependant, peu de données sont connues sur leur mécanisme d'action, notamment concernant leur action sur la rigidité de courbure des membranes. Une étude de la variation de la rigidité de courbure de monocouches de Langmuir (imitant de façon simplifiée les membranes cellulaires) en présence ou non d'un peptide antimicrobien a donc été réalisée.<br />Les rigidités de courbure ont été estimées et mesurées à partir de quatre techniques différentes : la technique de Langmuir, la diffraction des rayons X en incidence rasante, la diffusion diffuse des rayons X dans le plan de l'échantillon pour une interface air/liquide et la diffusion diffuse dans le plan d'incidence pour une interface liquide/liquide.<br />Bien que chaque méthode donne, en fonction de l' « échelle » qu'elle sonde, une valeur différente de la rigidité de courbure pour une monocouche donnée, elles confirment toutes que dans le cas des monocouches imitant les membranes bactériennes, la présence du peptide antimicrobien a pour effet de diminuer la rigidité de courbure. Alors que dans le cas des monocouches imitant les membranes des mammifères, du fait d'une absence d'interactions, la rigidité de courbure des monocouches ne varie pas.

Les puroindolines (isoformes a et b) sont des protéines extraites du grain de blé et dont la structure est stabilisée par cinq ponts disulfure. La pin-a possède un domaine unique riche en tryptophane (WRWWKWWK) qui est tronqué dans le cas de la pin-b (WPTKWWK). Les deux galactolipides majeurs de l'endosperme du blé, MGDG et DGDG, ont été extraits et purifiés. Les études ont été réalisées à l'interface liquide/air et en dispersion aqueuse grâce à des techniques appropriées : tensiométrie, ellipsométrie, microscopies à l'angle de Brewster et à force atomique, techniques spectroscopiques (PM-IRRAS, Raman, ATR), et diffraction des rayons X. Les lipides ainsi que leur mélange équimolaire montrent des propriétés spécifiques attribuées aux fortes interactions entre les têtes polaires galactosyl. La pin-a et la pin-b présentent des propriétés similaires, en particulier une forte activité à l'interface. Finalement, l'étude des interactions protéine/lipide montre que la pin-a interagit plus fortement avec les galactolipides en formant des structures (réseaux) qui pourraient être à l'origine de la forte stabilité des mousses pin-a/lipide.

Les procédés plasma de grandes dimensions, uniformes et denses, sont essentiels pour les traitements de surface qui demandent des vitesses de gravure ou de dépôt élevées et uniformes. Ainsi, l'objectif de cette étude est de produire des nappes de plasma uniformes et de fortes densités dans la gamme de pression de 100 Pa. L'extension d'échelle des plasmas est réalisable par la distribution de sources plasma micro-onde suivant un réseau à deux ou trois dimensions. Ce concept a été appliqué à un réacteur plan constitué de 4 × 3 = 12 sources plasma micro-onde distribuées selon une configuration matricielle carrée (paramètre de maille de 4 cm). Pour chaque source élémentaire, le plasma est produit à l'extrémité d'un applicateur coaxial implanté perpendiculairement au plan de la source bidimensionnelle. Dans la gamme des puissances micro-onde faibles et dans celle des pressions élevées, des plasmas localisés à symétrie azimutale sont visibles autour de chaque applicateur coaxial. En augmentant la puissance micro-onde, les plasmas localisés s'étendent et se rejoignent pour produire une tranche de plasma uniforme. Les plasmas d'argon, qui peuvent être maintenus entre 7,5 et 750 Pa, ont été caractérisés principalement par sonde de Langmuir. La nappe de plasma obtenue devient uniforme à partir de 15-20 mm du plan de source, c'est-à-dire à une distance de l'ordre de la moitié du paramètre de maille. Les résultats montrent que le plasma peut atteindre des densités comprises entre 10^12 et 10^13 cm^-3 avec une uniformité de ± 3,5 % à 20 mm du plan de source. La décroissance de la température électronique observée lors d'une augmentation de la puissance micro-onde est justifiée par l'apparition d'un mécanisme d'ionisation par étapes via les atomes métastables, dont la concentration et la température ont été mesurées par spectroscopie d'absorption par diodes laser. Une modélisation analytique simplifiée suivie d'une modélisation numérique du plasma d'argon à une dimension a été effectuée. Elle permet de conforter la plupart des hypothèses sur les mécanismes de création et de perte dans le plasma. Enfin, pour tester le réacteur dans des applications aux traitements de surface, des couches de SiOCH et de SiNCH ont été déposées par PACVD en vue d'évaluer la vitesse et l'uniformité du dépôt. Les vitesses de dépôt obtenues dépassent le µm/min et les dépôts sont uniformes.

Investigations on pulsed reactive magnetron sputtering processes for the deposition of thin oxide films are presented by means of time-resolved and time-integrated measurements. The pulsed process can be successfully described in terms of a model of Berg et al. for reactive sputtering processes. Time-resolved Langmuir double probe measurements are confirmed using time-resolved optical emission spectroscopy. Combining the results leads to an insight into elementary processes governing the discharge. / Mit Hilfe zeitlaufgelöster und zeitlich mittelnder Methoden wird eine gepulste Magnetronentladung zur reaktiven Abscheidung von Oxidschichten untersucht. Das Modell von Berg et al. zur Beschreibung des Abscheideprozesses lässt sich dabei erfolgreich auf die reaktive Abscheidung mit einem gepulsten Prozess anwenden. Mittels zeitaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie können die Ergebnisse zeitaufgelöster Langmuir-Doppelsondenmessungen bestätigt werden. In Kombination ermöglichen diese Verfahren die Untersuchung von Elementarprozessen in der Entladung.

Over the past century the study of gas exchange rates between the atmosphere and the ocean has received increased attention because of concern about the fate of greenhouse gases such as CO2 released into the atmosphere. Of interest is the oceanic uptake of CO2 in shallow water coastal regions as biological productivity in these regions is on average about three times larger than in the open ocean. It is well-known that in the absence of breaking surface waves, the water side turbulence controls gas transfer of sparingly soluble gases such as CO2 from the air to the water. The dependence of gas transfer on wind-driven shear turbulence and convection turbulence generated by surface cooling has been investigated previously by others. However, the effect of Langmuir turbulence generated by wave-current interaction has not been investigated before. More specifically, Langmuir turbulence is generated by the interaction of the wind-driven shear current with the Stokes drift velocity induced by surface gravity waves. In this dissertation, large-eddy simulations (LES) of wind-driven shallow water flows with Langmuir turbulence have been conducted and scalar transport and surface scalar transfer dynamics analyzed. The scalar represents the concentration of a dissolved gas such as CO2 in the water. In flows with Langmuir turbulence, the largest scales of the turbulence consist of full-depth Langmuir circulation (LC), parallel downwind-elongated, counter-rotating vortices acting as a secondary structure to the mean flow. LES guided by the full-depth LC field measurements of Gargett & Wells (2007) shows that Langmuir turbulence plays a major role in determining scalar transport throughout the entire water column and scalar transfer at the surface. Langmuir turbulence affects scalar transport and its surface transfer through 1. the full-depth homogenizing action of the large scale LC and 2. the near-surface vertical turbulence intensity induced by the Stokes drift velocity shear. Two key parameters controlling the extent of these two mechanisms are the dominant wavelength (λ) of the surface waves generating the turbulence and the turbulent Langmuir number, Lat , which is inversely proportional to wave forcing relative to wind forcing. Furthermore, LES representative of the field measurements of Gargett et al. (2004) shows that Langmuir turbulence increases transfer velocity (a measure of mass transfer efficiency across the air-water interface) dramatically with respect to shear-dominated turbulence. Finally, direct resolution of the surface mass transfer boundary layer allows for the LES to serve as a testing ground for bulk parameterizations of transfer velocity. Several wellestablished parameterizations are tested and a new parameterization based on Stokes drift velocity shear is proposed leading to encouraging results.

Supercapacitors are well known for their improvised power density compared to batteries. Ongoing research is mainly focused on improving the energy density of supercapacitors by using different electrode material nanocomposites. The recent research has revealed that graphene (G)-polyaniline (PANI) nanocomposite could be a promising material for supercapacitor applications. The supercapacitor is also associated with self-leakage current regardless of any electrode material. The main objectives of the project are to: (i) synthesize highly fabricate supercapacitor based of G-PANI electrode; (ii) improve the energy density of supercapacitor by applying ultrathin monolayer/monolayers film electrode surface. It is crucial to either improve or retain the effective capacitance of the dielectric film. The dielectric material chosen is polyvinylidene fluoride (PVDF) due to its dielectric constant and electrochemical properties. Langmuir-Schaefer (LS) technique is used to deposit the PVDF film onto the substrate. The optical properties of electrode materials were measured by UV-vis spectrophotometer. The surface morphology of the fabricated electrode material has been investigated using scanning electron microscopic (SEM) and atomic force microscopic (AFM) studies. The supercapacitor with and without dielectric layer have been studied using cyclic voltammetry, charging and discharging, and electrochemical impedance techniques, respectively. The specific capacitance has been found to increase by application of one monolayer of PVDF film of G-PANI electrode. However, the LS film of PVDF does not show the minimization of leakage current but revealed an increase in the specific capacitance due to enhancement in surface area associated with the electrode besides PVDF is also an electrochemical active material. The electrochemical investigation of various layers of PVDF on G-PANI in symmetric and asymmetric supercapacitor configuration has been presented in thesis. The future scope of the project could be designing the electrode with various number of layers of dielectric material that could reduce the leakage current, and retaining the specific capacitance of G-PANI nanocomposite electrodes.

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche. / In the past two decades, the Langmuir-Blodgett (LB) technique has emerged as a bottom-up route to create nanostructured ultrathin films. Patterns consisting of parallel stripes, ∼100 to 200 nm in width, were generated via the LB deposition of mixed monolayers of 1,2-dilauroyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DLPC), and 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) onto silicon and mica substrates. To expand the functionality of these patterns, 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadecanoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine (DSDPPC) and 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodecanoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine (DSDLPC) were used to prepare chemically heterogeneous films. These phospholipid analogues have a methyldisulfide group attached to one of the alkyl chain ends. An extensive study of the phase structure of Langmuir, Langmuir-Shaefer and LB films of DSDPPC and DSDLPC and their mixtures with DPPC or DLPC is presented in this thesis. Limited control over the regularity and feature size of the DPPC/DLPC stripe pattern was achieved by varying the lipid composition, deposition pressure, and substrate withdrawal speed. A higher percentage of condensed versus fluid lipid, slower deposition speed, and lower surface pressure create more continuous and wider stripes. The addition of a lineactant, cholesterol, to the DPPC/DLPC 1:1 (mol/mol) mixture allowed the formation of parallel stripes at higher surface pressure. The gel-to-liquid crystalline transition temperature of DSDPPC was determined to be 44.5 ± 1.5 °C versus 41.5 ± 0.3 °C for DPPC by DSC and turbidity measurements. The pressure-area isotherm of DSDPPC is similar to that of DPPC. The monolayer undergoes a liquid expanded-to-condensed (LE-C) phase transition at a surface pressure slightly higher than that of DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1). Like DLPC, DSDLPC remains in the LE phase until the film collapse. The disulfide-modified lipids exist in a more expanded state throughout the monolayer compression and exhibit lower collapse pressures than the unmodified phospholipids. The domain morphologies of DPPC and DSDPPC at the air/water interface were compared using Brewster Angle Microscopy. DPPC forms a homogeneous monolayer at a surface pressure (π) > 10 mN m-1, while flower-like domains exist in the DSDPPC monolayers until π ∼ 30 mN m-1. Solid-supported DSDPPC films were prepared and characterized using various surface analysis techniques. The parallel stripe pattern previously obtained with mixtures of DPPC/DLPC was reproduced using DSDPPC/DLPC or DPPC/DSDLPC mixtures resulting in chemically-differentiated patterns. The average stripe width varied from 150 to 500 nm, depending on the lipid composition and deposition pressure. The disulfide group of the analogues was exploited to (i) form self-assembled monolayers of phospholipids on gold and (ii) demonstrate the selective metallization of the disulfide-terminated areas of the stripe patterns. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed that the monolayer-bound disulfides react with Au vapor to form a gold-thiolate species. Thermally evaporated Au, Ag and Cu exhibit preferential absorption onto the modified lipids only at submonolayer coverages.

Resumo: A informação sobre a adsorção de selênio (Se) em solos da região tropical é restrita e existem poucos parâmetros numéricos disponíveis para a definição de estratégias de remediação de áreas contaminadas. Os objetivos deste trabalho foram: avaliar a retenção de Se por amostras superficiais (0-0,2 m) de 30 solos representativos do Estado de São Paulo, pela quantificação de parâmetros de adsorção (Kd, Koc, Adsmáx, KL, Kf e n); gerar modelos de regressão e correlacionar os atributos químicos e físicos dos solos com os parâmetros de adsorção. Os experimentos de adsorção de Se foram conduzidos de acordo com o método "batch". Isotermas de adsorção foram construídas a partir dos resultados experimentais e comparadas com as isotermas ajustadas pelos modelos de Langmuir e de Freundlich. A adsorção de Se foi representada por isotermas tipo L (exponencial) e tipo C (linear) e a equação de Langmuir ajustou melhor os resultados de adsorção de Se do que a isoterma de Freundlich. Os valores médios dos parâmetros de adsorção foram: Kd = 133 L kg-1, Koc = 2927 L kg-1, Adsmáx = 976 mg kg-1, KL = 0,04 L kg-1, Kf = 46 L kg-1 e n = 0,45. Os valores de Kd estiveram correlacionados principalmente com os teores de argila (r = 0,72*), enquanto Kf se correlacionou com teores de argila (r = 0,67***) e de óxidos de Fe livres (FeDCB; r = 0,69***) e amorfos (Feox; r = 0,56**). Os demais parâmetros de adsorção de Se não apresentaram relação causa-efeito com os atributos dos solos. Na análise conjunta, os teores de FeDCB explicaram 60% da variação dos valores de Kd e 50% da variabilidade de Kf, enquanto os teores de argila responderam por 52% da variação dos valores de KL. / Abstract: Very limited information is available on selenium (Se) adsorption behavior in tropical soils and there are few numerical parameters related to the phenomena that can be used as references to take decisions on management strategies in contaminated areas. The objectives of this study were to evaluate Se adsorption in topsoil samples (0-0.2 m) from 30 representative soils of the State of São Paulo, Brazil, based on the quantitative adsorption parameters (Kd, Koc, Adsmax, KL, Kf and n) and on its correlation with chemical and physical soil attributes. Adsorption experiments were conducted according to batchwise method. Adsorption isotherms were elaborated from experimental results and compared with the isotherms fitted by Langmuir and Freundlich models. Selenium adsorption isotherms following L-type (exponential) and C-type (linear) pattern and Langmuir equation fitted well to the soil experimental results, when compared with Freundlich model. Arithmetic mean values for adsorption parameters were: Kd = 133 L kg-1; Koc = 2,927 L kg-1; Adsmáx = 976 mg kg-1; KL = 0.04 L kg-1; Kf = 46 L kg-1 and; n = 0.45. Distribution coefficient (Kd) was correlated with clay content (r = 0.72*), while Freundlich coefficient (Kf) was correlated with clay content (r = 0.67***) and with crystalline (r = 0.69***) and amorphous Fe oxyhydroxides (r = 0.56**). No consistent correlations were observed between soil attributes and Adsmaz, KL, n and Koc. In the joint analysis, crystalline Fe oxyhydroxides content explained 60% of the variation in Kd values and 50% of Kf variability, while clay content accounted for about 52% of the KL values. / Orientador: Wanderley Jose de Melo / Coorientador: Márcio Roberto Soares / Banca: Mara Cristina Pessoa da Cruz / Banca: José Carlos Casagrande / Mestre