There is no abstract

Nous présentons une étude théorique de la dynamique des excitons en solutions et films pour des molécules composées de fluorenes, complétée par des résultats expérimentaux fourni par nos collègues de l'université de St Andrews. Nous introduisons l'importance et l'intérêt d'une telle étude, et les méthodes que nous utilisons pour modéliser la photo-physique ultra-rapide (pico- et sous-picoseconde) des excitons dans ces systèmes. Nous démontrons ensuite que le transfert d'exciton en solution de molécules faites d'oligofluorenes, branchées en forme d'étoile, a pour origine la relaxation moléculaire, et à une échelle de temps plus lente, le transfert de Forster entre les bars de l'étoile. Les oligofluorenes droits ne montrent pas ce transfert ultra-rapide en solution. Enfin, nous introduisons des améliorations à la théorie standard du dipole linéaire que nous utilisons pour construire un modèle microscopique de la dynamique ultra-rapide des excitons dans les films de polyfluorenes. Nos résultats sont en très bon accord avec les expériences et permettent de gagner des connaissances détaillés des procédés de transfert d'excitons dans ces matériaux.

Indirekte Halbleiter, wie beispielsweise Silizium, zählen bei technischen Anwendungen zu den wichtigsten halbleitenden Materialien. Die indirekte Bandstruktur führt jedoch dazu, dass diese Materialien schlechte Lichtemitter sind. Die theoretische Beschreibung der optischen Eigenschaften dieser Materialien wurde in früheren Betrachtungen über phänomenologische Ansätze verfolgt. In dieser Arbeit wird eine mikroskopische Theorie, basierend auf den Heisenberg-Bewegungsgleichungen, entwickelt, um die Prozesse im Bereich der indirekten Energielücke zu beschreiben. Nach Herleitung der relevanten Gleichungen wird im ersten Anwendungskapitel die Absorption und optische Verstärkung im thermischen Gleichgewicht diskutiert. Bei der Diskussion wird insbesondere auf den Unterschied zu direkten Halbleitern eingegangen. Es zeigt sich, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Halbleitern fundamental von denen in direkten unterscheidet. Im Gegensatz zum direkten Halbleiter kann die maximale optische Verstärkung eines indirekten Übergangs die maximale Absorption um Größenordnungen übertreffen. Im zweiten Anwendungsteil werden Nichtgleichgewichtsphänomene diskutiert. Durch starke optische Anregung kann eine hohe Elektronenkonzentration am Gamma-Punkt erzeugt werden. Da das globale Bandstrukturminimum aber am Rand der Brillouinzone liegt, verweilen die Elektronen nicht lange dort, sondern streuen in das Leitungsbandminimum. Dieser Prozess der sogenannten Intervalley-Streuung wird im Hinblick auf Gedächtniseffekte diskutiert. Nach dem Streuprozess der Elektronen besitzt das System eine Überschussenergie, die sich in einem Aufheizen der Ladungsträger zeigt. Das zweite Nichtgleichgewichtsphänomen ist das Abkühlen des Lochsystems, welches aufgrund der Trennung der Elektronen und Löcher in indirekten Halbleiter auch im Experiment getrennt untersucht werden kann. Mithilfe eines Experiment-Theorie-Vergleichs wird ein schneller Elektron-Loch-Streuprozess nachgewiesen, der dazu führt, dass in indirekten Halbleitern das Thermalisieren und Equilibrieren der Elektronen und Löcher auf der gleichen Zeitskala stattfindet.

Spridning av läkemedelsrester och andra prioriterade mikroföroreningar i miljön har uppmärksammats och stor oro väckts kring problematiken. Bland observationer som forskare har noterat till följd av antibiotika, hormoner och läkemedel i vattenmiljöer är bland annat bakteriell resistens, könsbyte och sterilitet hos fisk och groddjur. Persistenta föroreningar som per- och polyfluor alkalysyror (PFAS) bryts inte heller ner i naturen och mikroskräppartiklar kan anrikas i vattendrag och orsaka negativa effekter på vattenlevande organismer. Gemensamt för mikroföroreningar är att dessa förekommer oftast i små halter och kan härstamma från olika mänskliga aktiviteter. Avloppsreningsverk (ARV) är inte primärt anpassade för att avskilja mikroföroreningar utan främst för att avlägsna kväve, fosfor och organiskt material. Uppströmsarbete är inte heller tillräckligt effektivt för att avlasta reningsprocessen vilket medför att mängden mikroföroreningar ökar i vattenmiljöer och sätter ytterligare påtryckningar på ARV. Utmaningar som ARV står inför idag med nya mikroföroreningar och förekomsten av dessa i miljön har väckt frågor både nationellt och internationellt. Stockholm Vatten och Avfalls (SVOA) beslut att implementera membranbioreaktor (MBR) på Henriksdals reningsverk av porstorleken 0,04 μm är en åtgärd för att rusta upp inför framtida hydrauliska volymer men även potentiella striktare reningskrav. Fördelen med MBR-processen är att den förhindrar föroreningar som förekommer partikulärt att passera membranen och på så sätt hindras skadliga ämnen att passera reningsprocessen. I dagsläge saknas krav på ARV att rena avloppsvatten från de flesta mikroföroreningar. Det förväntas dock att kommande lagstiftning omfattar läkemedel och andra organiska föroreningar. I detta projekt undersöktes mikroföroreningar i form av läkemedelsrester, antibiotika, hormoner, PFAS och mikroskärp i en MBR-process samt förekomsten av adsorberbara och extraherbara organiska halogener (AOX, EOX) som potentiellt bildas under rengöring av membranen till följd av reningsprocessen. Resultat från detta projekt med MBR-processen visade en generell högre reduktion av prioriterade mikroföroreningar i avloppsvatten än tidigare undersökningar på konventionella ARV, med undantag för några substanser som visade på en liknande sämre reduktion. Läkemedlen diklofenak, oxazepam, citalopram med flera visade på en sämre reduktion och lika så för antibiotikumen clindamycin, claritomycin och erytromycin där reduktionen var negativ och visade på en återkommande trend. Östrogena hormoner reducerades i reningsprocessen och likaså för mikroskräp där 60 partiklar/m3 mikroplast av porstorleken större än 300 μm passerade membranen. Mikroplast av en porstorlek i intervallet mindre än 300 men större än 50 μm passerade 140 partiklar/m3 membranen. För AOX och EOX var halten i MBR-processen typiska och i nivå med tidigare undersökningar genomförda på konventionella ARV. Eftersom membranen inte kan avskilja partiklar på molekylnivå visades sig även att det passerade fortfarande mikroföroreningar som undersöktes. En slutsats från detta projekt är att endast ett få tal ämnen reducerades helt medan majoriteten av de prioriterade mikroföroreningarna reducerades delvis i avloppsvatten. För att kunna reducera dessa prioriterade mikroföroreningar i reningsprocessen ytterligare om striktare reningskrav skulle bli aktuella krävs vidare efterbehandling efter MBR-processen. / Release of pharmaceutical residues and other emerging substances in the environment has been highlighted and raised a great concern regarding the issue. Among observations that scientists have noted as a result of antibiotics, hormones and pharmaceutical residues in the aquatic environment are bacterial resistance, sex change and sterility in fish and batrachians. Persistent pollutants such as perfluorinated-alkylated substances (PFAS) are also not degraded in nature, and microscopic debris particles can be enriched in aquatic systems and cause adverse effects on aquatic organisms. The common aspect with these substances is that they usually occur in small quantities and can derive from different human activities. Wastewater treatment plants (WWTP) are not primarily designed to separate emerging substances of concern (ESOC), but primarily to remove nitrogen, phosphorus and particulate organic matter. Upstream work is also not sufficiently effective to relieve the purification process, which means that the amount of pollutants increases in aquatic environments and puts additional pressure on the WWTP. The challenges facing WWTP today with ESOC and their presence in the environment has raised issues both nationally and internationally. Stockholm Vatten och Avfall (SVOA) decision to implement a membrane bioreactor (MBR) with poresize of 0,04 μm at Henriksdal WWTP is a step to prepare for future hydraulic volumes, but also potentially stricter treatments requirements regarding ESOC. The advantage of the MBR process is that it prevents contaminants that appear to be particulate to pass the membranes and end up in the receiving waters. Today, WWTP are not required to treat wastewater in order to remove pharmaceutical residues, antibiotics, hormones, PFAS or microscopic debris particles. However, it is expected that future legislations will include pharmaceuticals and other organic pollutants. In this project, ESOC such as pharmaceutical residues, antibiotics, hormones, PFAS and microscopic debris in the MBR-process are studied as well as the presence of adsorbable and extractable organic halogens (AOX, EOX) that are possibly formed during the cleaning or maintains of the membranes. Results from this study showed a higher general reduction of the studied ESOCs in wastewater with the MBR-process than previous studies in conventional WWTP, except of some substances that showed a poor reduction. Pharmaceuticals such as diclofenac, oxazepam and citalopram showed a weak reduction as well as the antibiotics clindamycin, clarithromycin and erythromycin where they showed a higher outcome levels than the incoming to the treatment process. Estrogenic hormones were reduced in the purification process as well as microplastics where only 60 particles/m3 of pore size higher than 300 μm passed the membranes. Microplastics of the pore size smaller than 300 and larger than 50 μm were detected to 140 particle/m3 in the effluent water. For AOX and EOX, the level of MBR process showed typical values and were in line with previous studies on conventional ARV. However, since the membranes cannot treat contaminants at molecular level, it was also shown that some ESOC that were studied bypassed the treatment process. A conclusion from this project is that only a few numbers of substances were fully reduced while the majority of ESOCs were partially reduced in wastewater. In order to reduce further ESOCs and in case of stricter treatment were to be applied, additional post-treatment is also needed for the MBR process.

The context of this PhD is the reduction of sizes involved in material development and the confinement of heat in modern devices, which are known to lead to the apparition of hot spots. The goal is to investigate heat conduction from micro- to nanoscale wide Joule-heated wires standing on flat layered materials. A particular focus is given to the analysis of phonon heat dissipation when departing from the well-known Fourier diffusive conduction and entering the ballistic regime. The manuscript starts with a summary of the main observed effects on the effective thermal conductivity in nanoscale materials, especially in light of the values of thermallyaveraged phonon mean free paths and the associated Knudsen number. Then the advantages and drawbacks of various measurement techniques are discussed. The analysis of the experimental configuration requires 2D analytical and 3D finite-element method based numerical studies of diffusive heat conduction from a finite source into a medium. Limitations of the 3! method due to wire length, substrate geometry and thin oxide layers are highlighted. The electro-thermal setup developed and the procedure used to deposit the devices on top of the samples are then detailed. A set of well-known materials with mean free path ranging from few nanometers to hundreds of nanometers is characterized with microwires. The thermal conduction properties of multilayer materials are investigated. Heat dissipation from finite sources on top of silicon substrates is then measured as a function of temperature. The mean free path is known to become large when temperature decreases. As a result, this configuration provides clues for understanding heat conduction from ballistic sources. The observed behavior is very different from the one predicted by Fourier’s law and shows a strong reduction of the dissipation. It is found that the results are comparable to earlier measurements involving ridges. They are analyzed with various levels of approximations of predictions using the Boltzmann transport equation. The results obtained may be useful in many fields, in particular for electronics and thermoelectric designs. / Le contexte de ce doctorat est la réduction des tailles impliquées dans le développement des matériaux et le confinement de la chaleur dans les dispositifs modernes, qui sont connus pour conduire à l'apparition de points chauds. L'objectif est d'étudier la conduction de la chaleur à partir de fils chauffés par Joule à l'échelle nanométrique et à l'échelle nanométrique, reposant sur des matériaux à couches planes. Une attention particulière est accordée à l'analyse de la dissipation thermique des phonons en partant de la conduction de Fourier bien connue et en entrant dans le régime balistique. Le manuscrit commence par un résumé des principaux effets observés sur la conductivité thermique effective dans les matériaux à l'échelle nanométrique, en particulier à la lumière des valeurs des voies libres moyennes des phonons et du nombre de Knudsen associé. Ensuite, les avantages et les inconvénients des différentes techniques de mesure sont discutés. L'analyse de la configuration expérimentale nécessite des études numériques 2D basées sur la méthode des éléments finis et des éléments finis de la conduction de chaleur par diffusion à partir d'une source finie dans un milieu. Limitations du 3! méthode en raison de la longueur du fil, de la géométrie du substrat et des couches minces d'oxyde sont mises en évidence. La configuration électro-thermique développée et la procédure utilisée pour déposer les dispositifs sur les échantillons sont ensuite détaillées. Un ensemble de matériaux bien connus avec un chemin libre moyen allant de quelques nanomètres à des centaines de nanomètres est caractérisé par des microfils. Les propriétés de conduction thermique des matériaux multicouches sont étudiées. La dissipation thermique des sources finies sur les substrats de silicium est ensuite mesurée en fonction de la température. Le libre parcours moyen est connu pour devenir important lorsque la température diminue. En conséquence, cette configuration fournit des indices pour comprendre la conduction de la chaleur à partir de sources balistiques. Le comportement observé est très différent de celui prédit par la loi de Fourier et montre une forte réduction de la dissipation. On trouve que les résultats sont comparables à des mesures antérieures impliquant des crêtes. Ils sont analysés avec différents niveaux d'approximations de prédictions en utilisant l'équation de transport de Boltzmann. Les résultats obtenus peuvent être utiles dans de nombreux domaines, en particulier pour les conceptions électroniques et thermoélectriques.

Para la presente investigación de tesis desarrollada entre los distritos de Imperial y Pampas, provincia de Tayacaja, en el departamento de Huancavelica, se tiene como unidad de análisis a 60 muros de contención, donde se aplicó criterios muestréales de 23 muros f´c 210 kg/cm2. Como resultados alcanzados se logró elaborar concreto hidráulico de calidad usando agregado fino marginal con el cual se pudo satisfacer los parámetros de resistencia y durabilidad. Para demostrar la durabilidad se realizaron distintos ensayos; los que no cumplieron con las especificaciones de la norma EG-2000 fueron el de Equivalente de arena MTC E 114, Material que pasa el Tamiz N°200 MTC E 202 y Análisis granulométrico por tamizado ASTM C 136, por lo cual se efectuaron análisis más rigurosos como: el ensayo de Valor de azul de metileno y el ensayo de Análisis petrográfico macroscópico y microscópico en agregados para concreto ASTM C 295, donde se obtuvo como resultado que la arena no presenta elementos activos en su composición, lo que quiere decir que ante las condiciones ambientales de la zona estos elementos no se expanden ni se contraen y adicionalmente como medida de control se diseñó la mezcla de concreto hidráulico con aditivo incorporador de aire AirMix-200. Del mismo informe petrográfico se concluyó que la composición principal del agregado es la caliza, la cual es materia prima para la elaboración del cemento, que de alguna manera adicional ayuda a cumplir satisfactoriamente el parámetro de resistencia. Así mismo quedó demostrado que a través de ensayos a compresión no confinada de testigos de concreto, se alcanzó resistencias superiores a lo requerido en la norma EG-2000. Research for this thesis developed between the districts of Imperial and Pampas, Tayacaja province, in the department of Huancavelica, it has the analysis unit 60 retaining walls, where 23 sample criteria applied walls f´c 210 kg/cm2. Results obtained are as elaborate hydraulic concrete achievement of marginal quality using fine aggregate with which it was able to satisfy the parameters of strength and durability. To demonstrate the durability various tests were performed; those who do not comply with the specifications of the EG-2000 were rule the sand equivalent MTC E 114, passes what material the sieve No. 200 MTC E 202 and sieve analysis ASTM C 136, here by which they were made Analysis More rigorous like: The test value of methylene blue and testing of macroscopic and microscopic petrographic analysis in paragraph aggregate concrete ASTM C 295, where it resulted the sand without presents elements active in their composition, which means they say to the area Environmental Conditions These elements do not expand or contract and additionally as a control measure of self-design hydraulic concrete mix with entraining admixture AirMix-200 air. Same petrographic report concluded that the composition of the director of aggregate is limestone, which is a raw material for the production of cement, which in some additionally helps one perform satisfactorily resistance parameter. Also it demonstrated that one through essays of unconfined compressive concrete witness, higher strengths than required was reached in the EG-2000 standard.

L'industrie aéronautique doit faire face aux nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction de la consommation des énergies fossiles. L'utilisation de matériaux composites plus léger permet de répondre en partie à cette attente. Pour limiter les coûts lors de la fabrication et du développement des composites à renforts tissés 3D, il est nécessaire d'utiliser des outils de simulation performants. En particulier, les outils existants, qui discrétisent à une échelle mésoscopique l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Cette étude avait donc pour but de s'intéresser plus particulièrement à la simulation du prodécé de tissage pour pouvoir obtenir une structure de tissu sèche déformée numériquement. La production de différentes architectures de tissu en verre E dans notre laboratoire nous a permis d'observer les différents éléments en contact avec le fil ou le tissu sur la machine à tisser, par le biais de l'utilisation d'une caméra rapide par exemple. Le développement d'un modèle numérique par éléments finis reproduisant le procédé de tissage a été réalisé. Une loi de comportement isotrope transverse fut utilisée pour modéliser les fils de verre. Des premières simulations numériques encourageantes pour la fabrication d'un tissu d'armure toile et d'un tissu d'armure croisé 2-2 sont présentées et comparées avec les tissus réels produits correspondants. / The aeronautical industry faces new challenges regarding the reduction of fossil fuel consumption. One way to address this issue is to use lighter composite materials. The ability to predict the geometry and the mechanical properties of the unit cell is necessary in order to develop 3D reinforcements in composite materials for these aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells due to the complexity of their architecture. Currently, existing tools which model 3D fabrics at a meso scale don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile structure. There is already some numerical tools that can model the braiding or knitting process, but none have been developed for weaving so far. Consequently, this study deals with the numerical simulation of the weaving process to obtain a deformed dry fabric structure. During the weaving process of E-glass fabrics, achieved in our laboratory, it has been observed that large deformations led to the modification of transverse section of meshes, or local density changes, that can modify the fabrics mechanical resistance. For this reason, a numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, has been developped to predict these major deformations and their influences on the final textile structure. The correlation between numerical results and fabrics produced with glass fibres has been achieved for plain weave and 2-2 twill.

This thesis describes the study on structure and dynamics of various kinds of molecular membranes in general. We have studied the morphological transition of colloidal as well as biologically relevant membranes and qualitatively argued regarding the interplay between structure and dynamics. Systematic measurements have been performed to address the issue of ambiguous behavior of molecules under stress when its confined at the interface. The structural and dynamical effect on interfacial membranes have been studied for soft colloidal free standing langmuir monolayer as well as for the quasi two dimensional lipid membranes on solid supports. For organic nanoparticle monolayer we have observed a correlation between the nanoparticle raft dynamics and the underlying morphological transition. In this study we have also found a non-monotonic behavior of dynamical heterogeneity with time which is unusual for a colloidal system in common and beyond the prediction of Mode Coupling Theory. In the case of lipid membrane, we have given an experimental evidence of lipid molecular rearrangement process at molecular level when its perturbed by foreign entities. Using sophisticated X-Ray scattering techniques, we were able to capture the subtle changes happening in the assembly of lipid molecules in a planar bilayer structure when it interacts with molecules having biological relevance. In the next level we have used lipid membranes as an active plat-form to study the physical interaction with several kinds of nanoparticles and explored the mechanism of active participation of lipid molecules in self assembly process. Besides with the help of Fluorescence Correlation Spectroscopy, we have also studied the effect of nanoparticles assemblies on the dynamics of lipid molecules itself. In Chapter 1, we have provided the background along with a brief review of the existing literature for understanding the results represented in the subsequent chapters. This includes discussion on the various physical properties of our systems of interest, including dynamic behavior of colloidal particles in different concentration regime and a detailed theoretical understanding regarding the glass transition and jamming transition for a highly dense colloidal packing. In this section we have also discussed the advantages of interfacial microrheology technique over conventional bulk rheology in terms of efficiency and sensitivity. Here we have also pointed out the formulation of the multi-particle tracking method for achieving different parameters which are correlated in space and time for a given system. Followed by that the Dynamical Susceptibility and the anomaly in Van Hove correlation function, for a heterogeneous system has been argued thoroughly. Towards the end we have discussed about the general features of another type of two dimensional membrane i.e. the lipid membrane at interface. Using raft theory we have also tried to give a plausible explanation of the dynamical heterogeneity of the real cell membrane which is mimicked by the model supported lipid membrane. Here we have argued about the structural six fold symmetry of a compact monolayer. Finally in the last part we have summarized the theoretical aspects of the lipid molecule mediated self assembly process and the how the lipid diffusion plays a vital role in it. Chapter 2 deals with the aspect of measuring the morphological transition and its effect on the dynamics for a two dimensional membrane at air/water interface. It starts with the discussion on the synthesis method for various types of organic molecule grafted nanoparticles like Cadmium Selenide(CdSe Quantum Dots) and Gold Nanoparticle(Au NPs) of different size and properties and followed by a preparation method of 2D film at air/water interface and on solid substrate using Langmuir-Blodgett method. In this chapter we have discussed about the basic principles of several experimental tools like Brewster Angle Microscopy(BAM), Laser Scanning Confocal Microscopy(LSCM), Atomic Force Microscopy(AFM), Thermogravimetric Analysis(TGA), X Ray Reflectivity(XRR), Grazing Incidence Diffraction(GID), Fluorescence Correlation Spectroscopy(FCS) etc. Chapter 3 explains the main aspects of the microscopic dynamics in dense amorphous nanoparticle monolayer at the air-water interface. In this study we have found a transition in mechanical properties, tracked down through the systematic variation of isothermal compressibility(�) with increasing two dimensional packing fraction of nanoparticle rafts up to the area fraction of Φ∼0.82 using Laser Scanning Confocal Microscope. Here we have used multi particle tracking method for a close packed gold monolayer with CdSe tracer to estimate different dynamical properties like Mean Square Displacement(MSD), Dynamical Heterogeneity etc. These calculations indeed point out the non-monotonic variation of the amplitude in the four-point dynamic susceptibility (χ4), a signature of spatio-temporal extension of correlated domains. Along with that we have also observed the anomaly in trend for the inherent relaxation time τ∗with increasing area fraction(Φ). Interestingly the variation in χ4exactly follows the systematic we found for the isothermal compressibility( �) with increasing Φ and that indicates the connection between the observed macroscopic transitions in mechanical properties and the microscopic dynamical phase transitions. Finally we have given a possible explanation of these kind of events in terms of the interaction between this sterically stabilized nanoparticle domains with the help of interpenetration of the capping long chain polymers of the neighboring nanoparticle. Chapter 4 opens up the possibilities of probing the hidden features of biomembranes at molecular scale with the help of very precise techniques based on synchrotron X ray diffraction. Here we have studied the rearrangement of the lipid molecules of an artificial membrane on a solid support as an effect of ad-sorption of organic branched molecules. In this work we have used non toxic PETIM dendrimers of two different generations, i.e. G3and G4which differs a lot in terms of size, no of termination groups, molecular weights and protonation states. Our initial measurements shows quantitatively the in-plane and out of plane symmetry breaking of the lipid bilayer as a result of the interaction with these two types of molecules. The molecular adsorption effect was quantified in terms of thickness reduction and the change in the scattering length density(SLD) or the electron density of the top layer in out of plane reflectivity model. Interestingly both the dendrimers showed different behavior and the interaction reflected in terms of membrane penetration was found stronger for higher generation. On the other hand the GID measurement indicates an enhancement of the in plane unit cell dimension and associated parameters of the arrangement of lipid molecules as a result of interaction with dendrimers. The combined XRR and GID measurements indicate a local fluidization of lipid packing as an outcome of charged branched molecules adsorption on the membrane surface. Chapter 5 is summarizes the lipid mediated self assembly process of nanoparticles on a bilayer and how the interaction changes the local properties of the bilayer represented by the molecular diffusivity. In this study we have used particles of wide variety of features in terms of size, charge, functionality, polarity etc and found a quite dramatic effect in the nanoparticle adsorption event on a solid supported Lαphased DMPC lipid bilayer. We have also seen that de-pending on the concentration and amount of surface charge the nanoparticles form two dimensional regular self assembled patterns on the bilayer surface. In FCS measurement, we have also found a second group of dynamics ( distribution of diffusivity) along with the normal bilayer diffusion which has been identified as the diffusion of the lipid molecules where nanoparticles are adsorbed. The inherent increment in diffusivity supports the argument of local fluidization in lipid membrane in presence of charged nanoparticle as we have observed in our XRR and GID data described in chapter 4. Chapter 6 contains the summary and the future perspective of the work presented here.

<p align="justify"><p>Depuis les premiers développements de la physique statistique réalisés au 19ème siècle, nombreux ont été les travaux dédiés à la relation entre les processus macroscopiques em>irréversibles</em>(tels que les phénomènes de transport) et les propriétés de la dynamique <em>réversible</em> des atomes et des molécules. Depuis deux décennies, l'<em>hypothèse du chaos microscopique</em> nous en apporte une plus grande compréhension. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement aux propriétés de <em>viscosité</em>. <br /><br /><p><p>Dans ce travail, nous considérons des systèmes périodiques de particules en interaction. Nous proposons une nouvelle méthode de calcul de la viscosité valable pour tous systèmes périodiques, quel que soit le potentiel d'interaction considéré. Cette méthode est basée sur la formule dérivée par Helfand exprimant la viscosité en fonction de la variance du <em>moment de Helfand</em> croissant linéairement dans le temps.<br /><br /><p><p><p>Dans les années nonante, il a été démontré qu'un système composé de seulement deux particules présente déjà de la viscosité. Les deux disques <em>durs</em> interagissent en collisions élastiques dans un domaine carré ou hexagonal avec des conditions aux bords périodiques. Nous appliquons notre méthode de calcul des propriétés de viscosité dans les deux réseaux. Nous donnons également une explication qualitative des résultats obtenus. <br /><br /><p><p>L'étude de la relation entre les propriétés de viscosité et les grandeurs du chaos microscopique représente l'une des principales tâches de cette thèse. Dans ce contexte, le <em>formalisme du taux d'échappement</em> joue un rôle majeur. Ce formalisme établit une relation directe entre cette grandeur et la viscosité. Nous étudions numériquement cette relation et la comparaison avec les résultats obtenus par notre méthode sont excellents. <br /><br /><p><p><p>D'autre part, le formalisme du taux d'échappement suppose l'existence d'un <em>répulseur fractal</em>. Après avoir mis en évidence son existence, nous appliquons le formalisme proposant une formule exprimant la viscosité en termes de l'exposant de Lyapunov du système (mesurant le caractère chaotique de la dynamique)et de la dimension fractale du répulseur. L'étude numérique de cette relation dans le modèle à deux disques durs est réalisée avec succès et sont en excellent accord avec les relations obtenus précédemment. <br /><br /><p><p>Enfin, nous nous penchons sur les systèmes composés de <em>N</em> disques durs ou sphères dures. Après une étude de l'équation d'état et des propriétés chaotiques, nous avons exploré les propriétés de viscosité dans ces systèmes. Les données numériques obtenues sont en très bon accord avec les prévisions théoriques d'Enskog. D'autre part, nous avons utilisé notre méthode de calcul de la viscosité dans des systèmes de Lennard-Jones. De plus, nous avons proposé une méthode analogue pour le calcul numérique de la <em>conduction thermique</em>. Nos résultats sont en très bon accord avec ceux obtenus par la méthode de Green-Kubo.<p></p><p><p><br /><br /><p><p><p align="justify"><p>In this thesis, we first devote a section on the history of the concept of irreversibility; of the hydrodynamics, branch of physics in which the viscosity appears; of the kinetic theory of gases establishing relationships between the microscopic dynamics and macroscopic processes like viscosity; and, finally, the interest brought in statistical mechanics of irreversible processes by the theory of chaos, more precisely, the microscopic chaos. We propose a method based on the Helfand moment in order to calculate the viscosity properties in systems of particles with periodic boundary conditions. We apply this method to the simplest system in which viscosity already exists: the two-hard-disk model. The escape-rate formalism, establishing a direct relation between chaotic quantities of the microscopic dynamics (e.g. Lyapunov exponents, fractal dimensions, etc.), is applied in this system. The results are in excellent agreement with those obtained by our Helfand-moment method. We extend the calculation of the viscosity properties to systems with more than two hard balls. Finally, we compute viscosity as well as thermal conductivity thanks to our own method also based on the Helfand moment.<p></p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous présentons des résultats d’homogénéisation périodique d’un problème spectral et de l’équation d’ondes de Bloch. Il permet de modéliser les ondes à basse et haute fréquences. La partie modèle à basse fréquence est bien connu et n’est pas donc abordée dans ce travail. A contrario ; la partie à haute fréquence du modèle, qui représente des oscillations aux échelles microscopiques et macroscopiques, est un problème laissé ouvert. En particulier, les conditions aux limites de l’équation macroscopique à hautes fréquences établies dans [36] n’étaient pas connues avant le début de la thèse. Ce dernier travail apporte trois contributions principales. Les deux premières contributions, portent sur le comportement asymptotique du problème d’homogénéisation périodique du problème spectral et de l’équation des ondes en une dimension. La troisième contribution consiste en une extension du modèle du problème spectral posé dans une bande bi dimensionnelle et bornée. Le résultat d’homogénéisation comprend des effets de couche limite qui se produisent dans les conditions aux limites de l’équation macroscopique à haute fréquence. / In this dissertation, we present the periodic homogenization of a spectral problem and the waveequation with periodic rapidly varying coefficients in a bounded domain. The asymptotic behavioris addressed based on a method of Bloch wave homogenization. It allows modeling both the lowand high frequency waves. The low frequency part is well-known and it is not a new point here.In the opposite, the high frequency part of the model, which represents oscillations occurringat the microscopic and macroscopic scales, was not well understood. Especially, the boundaryconditions of the high-frequency macroscopic equation established in [36] were not known prior to thecommencement of thesis. The latter brings three main contributions. The first two contributions, areabout the asymptotic behavior of the periodic homogenization of the spectral problem and waveequation in one-dimension. The third contribution consists in an extension of the model for thespectral problem to a thin two-dimensional bounded strip Ω = (0; _) _ (0; ") _ R2. The homogenizationresult includes boundary layer effects occurring in the boundary conditions of the high-frequencymacroscopic equation.