David I. Kosowsky. / "June 1, 1955." "This report is based on a thesis submitted to the Department of Electrical Engineering, M.I.T., ... ." / Bibliography: p. 59-60. / Army Signal Corps Contract DA36-039 sc-42607 Project 102B Dept. of the Army Project 3-99-10-022

Kinematic analysis and field mapping of the Homestake shear zone (HSZ) and Slide Lake shear zone (SLSZ) in central Colorado provide new evidence for strain partitioning in the mid-crust at ~1.4 Ga. The northeast-striking, steeply dipping HSZ comprises a ~10-km-wide set of anastomosing ductile shear zones and pseudotachylyte-bearing faults. Approximately 3-km south of the HSZ, the north-northeast-striking, shallowly dipping mylonites of the SLSZ form three 1-10-m-thick shear zone splays. Both top-up-to-the-northwest and top-down-to-the-southeast shear sense are recorded in the SLSZ and HSZ. Oblique stretching lineations in both shear zones show vertical (top-down-to-the-southeast and top-up-to-the-northwest) and dextral movement occurred during mylonite development. Quartz and feldspar deformation mechanisms and quartz [c] axis lattice preferred orientation (LPO) patterns are consistent with deformation temperatures ranging from ~280-500°C in the HSZ to ~280-600°C in the SLSZ. Mean kinematic vorticity and quartz [c] axis LPOs for parts of each shear zone suggest plane and non-plane strain general shear with contributions of 47-69% pure shear and 31-53% simple shear. Based on micro- and mesoscale kinematics along with mean kinematic vorticity values and deformation temperature estimates, we propose that HSZ and SLSZ formed during strain localization and partitioning within a mid-crustal transpressional shear zone system that involved subvertical shuffling at ~1.4 Ga.

Veins are ubiquitous features in deformed rocks. Despite observations on syntectonic veins spanning two centuries, fundamental questions remain unanswered. Their origin as fractures is largely established but it is still not known why these fractures initiate where they do and how the vein evolves once started. We studied veins from the Lower Ordovician Mazarn Formation in the Arkansas’ Ouachitas combining textural observations, stable isotopes, fluid inclusions, SEM-based cathodoluminescence and electron back-scattered diffraction to understand the initial stage of vein formation, its later evolution, the role of fluids and their environment of formation. The veins are located at boudin necks and are synchronous with cleavage formation. Texturally, veins are characterized by veinlets (thin veins between 5 and 25 μm thick) that parallel the vein-host interface and fibers (columns of quartz or calcite) perpendicular to the vein-host interface between 30 and 350 μm wide. Veinlets are localized fractures filled with quartz. The crystallographic orientation of the precipitated material in veinlets is inherited from host grains at the micron scale and replicated as fibers’ lengths grow to centimeters. The vein-forming fluid was cyclically supersaturated yet never very far from saturation. δ18O values of vein quartz and host are within 2‰ of each other suggesting that the fluid was rock-buffered. Nevertheless, δ18O and δ13C define a ‘J’ shaped trend. Although it is not possible to date any portion of this curve, the simplest explanation is that the fluid evolved from rock-buffered in a closed system to fluid-dominated in an open system. The range of pressure-temperature conditions of vein formation is between 275 and 385 °C and 1100 and 3400 bars, from fluid inclusions and quartz-calcite oxygen isotopes thermometry. By examining a vein from tip to middle, we have established a sequence of events from inception to maturity in vein growth. Vein formation starts with folding followed by flattening of resistant sandstone layers which in turn gives rise to boudinage. Boudinage formation allowed for fracture localization along boudin-necks. The vein grew by the repeated addition of veinlets in the neck region. Recrystallization later modified the fibers by obliterating some evidence of the veinlets and moving fiber walls.

Ce document est conçu comme une vue d'ensemble de mes travaux de recherche sur la stabilité et la cinétique des défauts ponctuels dans le dioxyde de silicium et le carbure de silicium, deux matériaux d'intérêt pour le nucléaire ainsi que dans de nombreux autres domaines. Le chapitre préliminaire (page ix) est essentiellement un résumé détaillé, en français, des chapitres 1,2,3,4, suivi d'un projet à quatre ans qui fait office de conclusions. La partie centrale du document, en anglais, est constituée de quatre chapitres, dont le premier (1) décrit le contexte, introduit l'approche utilisée et explique le choix des matériaux. Le chapitre suivant (2) discute les approximation et les aspects spécifiques de l'application de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) aux défauts ponctuels dans les matériaux non-métalliques, en particulier en ce qui concerne l'étude de leur stabilité et cinétique. Le chapitre 3 est dédié aux défauts intrinsèques dans le dioxyde de silicium et la compréhension de l'autodiffusion dans le quartz et la silice. Les succès et les échecs de la DFT dans ses approximations semi-locales y sont discutés en liaison avec l'interprétation de quelques résultats expérimentaux importants. Le chapitre 4 résume et discute les travaux sur les défauts intrinsèques et les impuretés de palladium dans le carbure de silicium. L'accent est mis sur la cinétique de ces défauts, ce qui permet de discuter le recuit de certains défauts de stoechiométrie, des paires de Frenkel, des lacunes de silicium, ainsi que la diffusion du palladium. Un chapitre de conclusion résume les résultats pricipaux et suggère des développements et nouveaux sujets à aborder. Les appendices contiennent une compilation de données pour les défauts dans le carbure de silicium (A.1), un curriculum vitæ (B, en français) et un choix d'articles (C).

In this work an extended literature survey on ceramics and porcelains in particular, has been documented. Samples from two Ugandan deposits of each feldspar and quartz were characterised by means of X-ray diffraction, thermal analysis, chemical analysis and scanning electron microscopy and found to possess requisite properties for making electro porcelain insulators. Five porcelain bodies were formulated and samples were fabricated from materials collected from selected deposits in Uganda using different mixing proportions of clay, feldspar and quartz. The properties of the formulated bodies were studied in relation to workability, firing temperature, dielectric and bending strengths. The strengths (both mechanical and dielectric) were found to decrease as the firing temperature was increased above 1250°C. Additionally, ten formulations with components in the range of 30-60% clay, 20-45% feldspar and 20-25% sand were prepared. Specimens for mechanical and physical characterisation were made using the plastic extrusion method. The samples were characterised in terms of constituent oxide composition, flexural strength, fracture toughness, dielectric strength along with microstructural and phase properties using ICP-AES analyses, 4-point load bending strength test, Vicker’s indentation method, SEM and XRD analyses respectively. XRD studies revealed that the crystalline phases formed were mullite and quartz and their intensity was almost identical for all samples fired at 1250°C but there was a decrease inquartz content as temperature was increased above 1250°C. Samples with 20% sandcontent resulted in higher density, MOR and fracture toughness compared to thosecontaining 25% sand. Mullite content on the other hand did not change at temperatures above 1200°C but there were significant differences in the morphologies of the mullite crystals in the samples. Optimum mechanical and electrical properties were found at maximum vitrification and a microstructure showing small closely packed mullite needles. This occurred at a firing temperature of 1250°C. Three promising porcelain formulations from the above investigations were chosen and five glazes formulated to fit on biscuit fired specimens. The best-fitting glaze was adopted. The formulated specimens were investigated using dilatometry, Steger test, FEG-SEM, XRD, 4-point bending, dielectric strength and fracture toughness tests. A porcelain specimen consisting of 68% SiO2, 19% Al2O3, 4.7% K2O and a glaze of Seger formula RO:0.57Al2O3:4.86SiO2 exhibited MOR of 105MPa with Weibull modulus of 5.6 and a dielectric strength of 18kV/mm upon firing at a heating rate of 6ºC/min to 1250ºC, soaking for 2h at the top temperature and cooling down to 500°C at a rate of 6°C/min, followed by furnace cooling. The microstructure of the high strength specimen exhibited round mullite needles, quartz and glass. Holding samples for 2h at peak temperature resulted in a 22% increase in MOR compared to 1h holding. Glazing further improved strength by 67% for the best sample. Compressive stresses in glaze contributed to the strengthening effect. The dielectric and mechanical strengths obtained make the ormulated sample suitable for application in low voltage electrical insulation. / QC20100609

This thesis uses surface sensitive tools to characterize the effect of a solid surface on immobilized biomacromolecules. This includes understanding how the surface can change the affinity of these macromolecules to small molecules compared to bulk studies. Two classes of immobilized biomacromolecules, the supported lipid bilayer (SLB) and the Lac repressor protein (LacI), are characterized using microcantilever sensors and quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D). The first part of this thesis reports the use of microcantilever beams, an ultrasensitive sensor for measuring the surface free energy changes on a substrate induced by molecular adsorptions, to probe the interaction between a solid surface and a phospholipid bilayer. This sensing method integrates two well-developed techniques: solid-supported lipid bilayers (SLBs) and the microcantilever (MC) sensors. Studying the adsorption free energy of lipid bilayers on a solid surface allows better characterizing of the formation and stability of SLBs. Microcantilever converts the Gibbs free energy change taking place on its surface into a mechanical deformation. As molecules physisorb or chemisorb onto the surface of the microcantilevers, the microcantilevers bend, either due to induced compressive or tensile stresses, which result from the surface free energy change. By monitoring the deflection values of the microcantilevers, the real-time surface free energy change during the SLB formation can be detected. This thesis has led to the development of a novel biosensor--lipid membrane coated microcantilevers--to detect the adsorption, insertion, aggregation and solubilizing effect of membrane-active substances, such as surfactants and peptides, on the phospholipid membranes. To better characterize the surface free energy, SLBs doped with charged lipids or cholesterol are shown to alter the surface free energy. We can predict this change in surface free energy using a thermodynamic model. Application of this membrane-coated cantilever is put into use for detecting how amphiphilic molecules interact with SLBs, as well as for probing the abrupt conformational change of SLBs during a temperature induced phase-transition. This study systematically demonstrates various usage aspects of microcantilever to characterize the SLBs, and how this technique may advance the biophysical knowledge of the lipid membrane, one of the essential building blocks of life. The second part of this thesis reports the use of both microcantilever sensors and QCM-D to measure the adsorption free energy and mass of a model protein, the Lac repressor (LacI), and compare how a modified T334C mutant that includes a cysteine group to orient the protein on the gold surface through a covalent sulfur bonds retains its binding capabilities over that of wild type LacI. The main challenge of this work is to unravel how the adsorption of biomacromolecules at the solid/liquid interface leads to surface free energy changes and ultimately changes the stress of the underlying solid surface (the cantilever). The uses of microcantilever sensors and QCM to probe the interactions that take place on SLBs and surface-bound proteins have the advantage of being a sensitive, real-time, and label-free technique.

L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de polymères conducteurs en couplant des mesures simultanées et in situ d'angle de contact et de différents outils d'analyses électrochimiques (impédance électrochimique, électrogravimétrie cyclique et ac-électrogravimétrie). L'originalité de ce travail est de mettre en place un dispositif qui permet d'effectuer des mesures électrochimiques dans un volume variant de 1,5 à 3 µL. Nous avons pris comme polymère conducteur modèle le polypyrrole, électrogénéré à partir de différents monomères substitués que nous avons synthétisés. La mouillabilité de la surface des films de polymères formés est influencée, non seulement, par la nature du monomère mais aussi par les dopants présents en solution lors de la formation du film. Selon la nature du film de polymère conducteur formé, grâce aux mesures d'ac-électrogravimétrie, nous avons pu identifier les mécanismes d'échanges des diverses espèces (chargées ou non) au cours de la polarisation et les corréler aux variations de mouillabilité mesurées simultanément

Middle Ordovician (Whiterockian) sandstone units within the Oil Creek, McLish, and Tulip Creek formations of the Simpson Group of Oklahoma, and the Everton (Calico Rock Member) and St. Peter formations of Arkansas were deposited on the southern margin of Laurentia. They represent the first major siliciclastic input to the southern U.S. Midcontinent above the post-Sauk unconformity. Samples were collected from outcrops of the major sandstone units to determine their U-Pb detrital zircon age distributions for provenance. Samples were prepared and analyzed using laser ablation - inductively coupled plasma - mass spectrometry (LA-ICP-MS). Probability-density plots were created to determine likely source areas for sediment, based on comparing detrital zircon ages to known ages of basement terranes. Detrital zircon grains from the Early Whiterockian Calico Rock sandstone indicate a majority of its zircon population was ultimately derived from the 900-1300 Ma Grenville orogenic province, with secondary input ultimately derived from the 1300-1550 Ma Granite-Rhyolite/Anorogenic Province and the Archean Superior province along the Transcontinental Arch. It is likely, at this time, that zircons were also sourced from reworked sediments from more proximal secondary sources. With sea level rise and transgression, the depositional shoreline and the sediment source areas moved to the north and west. The basal Oil Creek Sandstone of the Simpson Group was deposited unconformably above the Arbuckle Group in southern Oklahoma, and its zircon population is dominated by grains from Archean source terranes along the Transcontinental Arch. The basal sandstone unit of the McLish Formation indicates renewed sediment input containing zircons from 1300-1550 Ma Granite-Rhyolite/Anorogenic and 1600-1700 Ma Yavapai-Mazatzal terranes along the Transcontinental Arch. The Nemaha Ridge in northeastern Kansas likely acted as a source of first-cycle sediment in the southern midcontinent during this time. Small populations of detrital zircon grains between 1800 Ma and 2000 Ma occur in the majority of the samples. Their probability density peaks are generally centered at roughly 1850 Ma, suggesting an ultimate source in the Penokean orogenic province along the Transcontinental Arch.

A l'échelle nanoscopique, un problème scientifique fondamental réside dans la difficulté de manipuler de façon interactive et répétable un nano-objet. Cette difficulté est un frein majeur pour des applications comme les nanotransistors, les nanosystèmes ou les futurs NEMS (Nano Electro Mechanical System). Ces dispositifs émergents sont ainsi ralentis dans leur cadre expérimental. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des recherches développées au sein de l'équipe de microrobotique de l'ISIR. Elle se focalise sur l'exploitation de capteurs d'effort pour la manipulation contrôlée à plusieurs doigts actifs. Le microscope à force atomique est utilisé pour ses propriétés de capteur d'effort. Dans un premier temps, un préhenseur composé de deux doigts indépendants avec mesures des forces d'intercation a été conçue. Avec ce système original, des micromanipulations en trois dimensions de microsphères ont été réalisée avec succès dans l'air, en mesurant de façon continue les efforts d'interaction. Ce système a aussi été utilisé pour saisir et déposer des nanofils afin de former des nanocroix, ces dernières étant des nanostructures émergentes pour la fabrication, par jonctions, de nanotransistors. Par la suite, des oscillateurs en quartz ont été utilisés pour la caractérisation de nanostructures, avec retour d'effort dy- namique. Le comportement non-linéaire en raideur de nanohélices lors de l'élongation a été caractérisé pour la première fois sur la totalité de la plage. Enfin, des sondes en quartz de haute fréquence ont été exploitées pour augmenter la vitesse d'acquisition d'images de l'AFM. De cette manière, la tâche de manipulation et d'imagerie en parallèle sous AFM a été optimisée et de nombreuses applications sont maintenant envisagées.

La silice cristalline quartz est l'une des substances causant le plus de décès reliés aux substances chimiques en milieu de travail au Québec. Les différents intervenants québécois en hygiène du travail aimeraient dans de nombreux cas connaître son pourcentage dans les matériaux dans le but d'optimiser leur plan d'interventions en milieu de travail. La provenance des échantillons étant aussi variée que les mines, les industries des produits en pierre, les sablières et gravières, ces matrices ajoutent une complexité à la quantification de la silice cristalline dans une large gamme de concentrations allant de 0 à 100 % (p/p). Puisqu'il existe différents polymorphes de la silice cristalline et qu'elle est aussi fréquente sous forme amorphe, une technique permettant la distinction entre ces différentes formes doit être utilisée. Le but premier de cette étude était donc de développer une méthode de quantification du quartz, le polymorphe le plus abondant de la silice cristalline. Cette méthode doit convenir à plusieurs types de matrice et permettre une bonne exactitude sur la quantification du quartz sur une large gamme de concentrations. Afin de pouvoir être éventuellement utilisée dans le cadre d'analyses routinières, la méthode devait s'avérer simple d'exécution et relativement rapide. Une procédure standard a donc été mise sur pied utilisant la diffraction des rayons X sur poudre combinée à la méthode Rietveld automatisée. Des échantillons simulés de matrices diverses et de concentrations variables en quartz ont permis d'optimiser chaque étape de la méthode, du montage de l'échantillon à l'affinement Rietveld en passant par les conditions d'analyse. À la suite de tests sur dix-neuf échantillons, une erreur absolue moyenne de 1,07 % (p/p) a été trouvée pour la concentration de quartz ainsi qu'une limite de détection de 0,24 % (p/p). La qualité des résultats obtenus confirme que cette méthode s'avère efficace pour la quantification du quartz à plusieurs concentrations et dans différentes matrices. L'erreur doit toutefois être diminuée pour pouvoir aspirer à la quantification fiable de très faibles quantités de quartz. La méthode est simple et permet l'analyse complète d'un échantillon en moins d'une heure, une certaine expérience est toutefois nécessaire pour valider les résultats obtenus. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Diffraction des rayons X, Méthode Rietveld, Quartz, Analyse quantitative.