Les matériaux à électrons fortement corrélés comptent parmi les systèmes les plus intrigants en raison de la richesse de leurs propriétés remarquables découvertes au cours de ces dernières décen nies telles que la supraconductivité haute Tc, la magnétorésistance colossale ou les conducteurs organiques. Lors de cette thèse, deux types de matériaux fortement corrélés récents ont été étudiés la quadruple pérovskite EuCu3fe4O12 et les conducteurs organiques type {Au(Et-thiazdt)2]. Le premier système présente une transition métal isolant à basse température (240K) tandis que le second transite isolant de MoU - métal sous pression. Grâce à des mesures de microspectroscopie infrarouge en conditions extrêmes, nous avons pu sonder l’électrodynamique de basse énergie de ces composés. Des calculs ab-initio de structure électronique nous ont alors permis de comprendre les mécanismes à l’origine des observations et de mieux connaître le rôle des corrélations électroniques. / Materials with strongly correlated electrons belong to the most intriguing systems in condensed matter physics due to their great variety of properties discovered during the last decades such as high temperature superconductivity, molecular conductors and colossal magnetoresistance. During this thesis, two types of strongly correlated materials have been studied: the quadruple perovskite EuCu3fe4Oi2 and the molecular conductors [Au(Et-thiazdt)2J. EuCu3Fe4Oi2 undergoes a metal to insulator transition at low temperature (240K), and [Au(Et-thiazdt)2J goes from a Mott insulator to a correlated metal state under high pressure. Infrared microspectroscopy measurements allowed us to probe the low energy electrodynamic of these systems. Ab-initio calculations were also used to understand the mechanisms of the transitions and the role of electronic correlations in the material.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’α-synucléine est une protéine impliquée dans la maladie de Parkinson qui forme des agrégats fibrillaires pathologiques. Une séquence précise de 12 acides aminés est essentielle pour que le phénomène d’agrégation ait lieu. Le peptide correspondant à cette séquence (noté α-syn71-82) a été synthétisé et étudié par dichroïsme circulaire, spectroscopie infrarouge et RMN solide du 31P, afin de mieux comprendre sa structure, ses interactions membranaires ainsi que son mécanisme de fibrillation. Les résultats montrent que le peptide adopte une conformation majoritairement désordonnée en solution. À haute concentration ou basse température, les chaînes peptidiques s’assemblent de façon réversible en oligomères en formant des feuillets-β intermoléculaires. L’α-syn71-82 interagit fortement avec les membranes anioniques mais n’interagit pratiquement pas avec les membranes zwitterioniques. Grâce aux interactions électrostatiques entre le peptide chargé positivement et les membranes chargées négativement, le peptide semble adopter une structure en feuillets-β parallèles et agrégés.

La modification de surface par plasma est une technique largement utilisée pour améliorer les propriétés de surface de polymères par le greffage de différents groupes fonctionnels. Dans ce projet de recherche, différentes méthodes pour améliorer les techniques de caractérisation de décharge micro-ondes de N2 et N2-H2 ont été étudiées dans le but d’optimiser le procédé de traitement de surface par plasma. Tout d'abord, un certain nombre de paramètres du plasma ont été mesurés à différentes conditions de traitement. Pour déterminer les paramètres du plasma, la spectroscopie d'émission optique a été utilisée dans la région l’ultraviolet, du visible et l’infrarouge (rarement utilisée dans la littérature scientifique). L’utilisation de la spectroscopie d'émission dans cette dernière région spectrale est avantageuse car elle permet d'éliminer les forts chevauchements entre les transitions atomiques et moléculaires et de pallier la faible intensité du signal observée dans la région de l’ultraviolet et du visible. Par la suite, la composition chimique de surface du PTFE a été analysée par XPS pour déterminer les concentrations en carbone, fluor, azote et des groupements amine suite à un traitement par plasma. Les résultats mentionnés ci-dessus ont été utilisés pour corréler les conditions de traitement et les paramètres de décharge micro-ondes à la composition chimique du PTFE modifié, dans l’objectif de mettre en évidence les paramètres expérimentaux du plasma et les espèces présentes dans le plasma qui jouent un rôle clé pour maximiser la fonctionnalisation de surface du polymère avec des groupements amine. En outre, un modèle mathématique a été développé en utilisant la technique de régression PLS. Pour construire ce modèle, un ensemble de données de variables d'entrée contenant les conditions de traitement et les paramètres spectroscopiques du plasma et une matrice de réponse contenant les propriétés de surface du polymère ont été générées. La base de données obtenue a été utilisée pour établir la relation entre les paramètres du plasma, les conditions de traitement et la chimie de surface du film. Cela a finalement permis de prédire la composition chimique de la surface à partir d’informations relatives au plasma, sans avoir à effectuer des analyses de surface après le traitement. / Plasma surface modification is a widely used technique for improving the surface properties ‎of ‎polymers through the introduction of different functional groups. In ‎the current research project, ‎different methods to improve the characterization techniques of ‎N2 and N2-H2 microwave discharge ‎were investigated with the aim of optimizing the ‎plasma surface process. First of all, a number of plasma parameters were measured at ‎different process conditions. To determine the plasma ‎parameters, optical emission spectroscopy was used ‎not only within the well-documented ‎UV-Visible region but also within the rarely ‎studied infrared zone. Using infrared optical emission ‎spectroscopy is advantageous as it ‎eliminates the strong overlap between atomic and molecular ‎transitions as well as the low ‎intensity UV-Visible emission spectroscopy limitations. In the next step, the PTFE surface chemical composition was analyzed via XPS to quantify the ‎concentrations of carbon, fluorine, and nitrogen after a plasma treatment in a N2-H2 gaseous ‎environment. The XPS analyses were also performed after chemical derivatization to quantify the ‎surface concentration of amino groups (%NH2) at different process conditions. The above-mentioned results were used to correlate process conditions and microwave N2-‎H2 ‎discharge‏ ‏parameters‏ ‏to the chemical composition of the modified ‎PTFE. The purpose was ‎to ‎determine the external plasma parameters and species present within the plasma ‎which ‎‎play a key ‎role in the introduction of amino groups to the polymer surface. ‎Furthermore, a mathematical model was developed using ‎the Partial Least Squares ‎Regression, ‎‎(PLSR) ‎using custom scripts written in MATLAB. A data set of ‎input variables including the process conditions ‎and plasma ‎parameters for each experiment ‎were generated along with the corresponding response ‎matrix which in turn contained the ‎surface ‎properties of the film.‎ ‎The resulting database was used to ‎build the relationship ‎between the plasma parameters, ‎process condition and the resulting film ‎surface chemistry. ‎This ultimately enabled to predict the PTFE surface chemistry from data originating ‎from the plasma, without having to proceed to post-plasma surface characterization.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Les dispositifs microfluidiques exploitent les propriétés chimiques et physiques des gaz et des liquides à l'échelle microscopique. Comparés aux systèmes à l'échelle macroscopique, les dispositifs microfluidiques offrent plusieurs avantages. Ils permettent l'utilisation de volumes plus petits de matériaux, réduisant ainsi les coûts d'application à l'échelle mondiale. Leur petite taille permet l'exécution simultanée de plusieurs procédures, ce qui réduit le temps d'expérimentation. De plus, les systèmes microfluidiques ont le potentiel d'augmenter considérablement le débit et peuvent être intégrés de manière transparente à d'autres systèmes pour permettre des tests d'automatisation. En plus de l'analyse, ils offrent également une plateforme intéressante pour les réactions chimiques. Les chercheurs ont synthétisé des particules, des fibres, des membranes et d'autres structures complexes via des dispositifs microfluidiques. Dans ce projet, nous avons exploité les techniques microfluidiques pour explorer les diverses applications de la membrane de chitosane en tant que matrice pH-sensible pour les études de systèmes de délivrance de médicaments (DDS) et en tant que matériau fonctionnel pour la mesure du débit. En utilisant des dispositifs microfluidiques pour préparer des membranes de chitosane intégrant des nanoparticules de silice, nous avons obtenu une programmabilité spatio-temporelle et des profils de libération complexes pour les nanocarriers dans les études DDS. De plus, nous avons démontré le potentiel d'un dispositif microfluidique en forme de X avec une membrane de chitosane biréfringente en tant que capteur de débit, permettant le calcul du débit en fonction des variations d'intensité. De plus, en incorporant des cristaux à réflexion totale atténuée (ATR) à simple rebondissement dans des dispositifs microfluidiques, nous avons permis des tests in situ par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Cela a permis la caractérisation des changements de liquide, des expériences parallèles et de l'écoulement laminaire focalisé. L'intégration de cristaux ATR dans un dispositif microfluidique de réacteur a facilité l'étude de la cinétique des réactions avec une résolution temporelle remarquable, permettant une compréhension complète des réactions diverses par l'analyse ATR-FTIR. De plus, notre méthodologie a fourni un moyen systématique d'évaluer les composants de mélange microfluidique dans des conditions d'écoulement variables. Dans l'ensemble, ce projet démontre le potentiel des techniques microfluidiques pour faire progresser les systèmes de délivrance de médicaments, la détection de débit, l'analyse spectroscopique et les études de cinétique des réactions. / Microfluidic devices exploit the chemical and physical properties of gases and liquids at a microscale. Compared to macro-scale systems, microfluidic devices provide several advantages. They enable the use of smaller volumes of materials, hence lowering application costs globally. Its small size allows for simultaneous execution of several procedures, cutting down on experimentation time. Furthermore, microfluidic systems have the potential to significantly increase throughput and can be seamlessly integrated with other systems to enable automation testing. In addition to analysis, it also provides a good platform for chemical reactions. Researchers synthesized particles, fibers, membranes, and other complex structures via microfluidic devices. In this project, we leveraged microfluidic techniques to explore the diverse applications of chitosan membrane as a pH-sensitive matrix for drug delivery system (DDS) studies and as a functional material for measuring flow rate. By utilizing microfluidic devices to prepare chitosan membranes embedded with silica nanoparticles, we achieved spatiotemporal programmability and complex release profiles for nanocarriers in DDS studies. Additionally, we demonstrated the potential of an X-shaped microfluidic device with a birefringent chitosan membrane as a flow sensor, enabling flow rate calculations based on intensity changes. Furthermore, by incorporating single-bounce attenuated total reflection (ATR) crystals into microfluidic devices, we enabled in situ Fourier-transform infrared (FTIR) testing. This allowed for the characterization of liquid changes, parallel experiments, and focusing laminar flow. The integration of ATR crystals into a microfluidic reactor device facilitated the investigation of reaction kinetics with remarkable time resolution, achieving a comprehensive understanding of diverse reactions through ATR-FTIR analysis. Moreover, our methodology provided a systematic means of assessing microfluidic mixing components under varying flow conditions. Overall, this project demonstrates the potential of microfluidic techniques in advancing drug delivery systems, flow sensing, spectroscopic analysis, and reaction kinetics studies.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Le présent mémoire traite de la génération de radiation électromagnétique périodique dans le proche infrarouge. La fréquence d’oscillation optique de cette radiation est référencée à un ou plusieurs standards de temps-fréquence et peut être changée à volonté. L’instrument remplissant ces fonctions est appelé synthétiseur de fréquences optiques. Cet instrument serait très utile dans les applications nécessitant de la lumière à une fréquence bien connue, comme la spectroscopie, la calibration de sources optiques et d’autres applications en métrologie. Pour cette raison, un intérêt pour la synthèse de fréquences optiques est déjà présent dans la communauté scientifique. Ici, un tel instrument est présenté. Ce dernier est basé sur l’usage d’un laser accordable et d’une ou plusieurs sources de référence. Un peigne de fréquences optiques est utilisé pour faire le pont entre ces différentes sources. Plus spécifiquement, le présent mémoire contient une discussion des difficultés que présente la construction d’un tel instrument. Ces difficultés sont principalement liées à la mesure de la fréquence relative entre les sources utilisées et le peigne de fréquences. Plusieurs solutions à ces difficultés sont ensuite proposées. Le tout est suivi par les détails d’une démonstration expérimentale d’un véritable synthétiseur de fréquences optiques. / This work is about the generation of periodic near-infrared electromagnetic radiation whose oscillation frequency can be changed at will while being linked to time and frequency standards. The instrument enabling these functions is called an optical frequency synthesiser. Such an instrument would be tremendously useful in applications requiring very precise optical frequencies, including spectroscopy, calibration of sources and many other applications in metrology. For this reason, the scientific community has already shown interest. Here, an optical frequency synthesiser is presented. The instrument is based on the combination of a tunable laser, one or many reference sources and an optical frequency comb, the latter being used to link the sources together. In this work, difficulties associated with the implementation of such an instrument are discussed. These difficulties are mostly related to the measurement of the relative frequencies between the sources and the frequency comb. Many solutions to these difficulties are given, followed by the implementation and performance details of an actual optical frequency synthesiser.

En collaboration avec Hydro-Québec à l'origine, notre laboratoire a développé un système de détection quantitative permettant de déterminer simultanément et en temps réel la concentration et le flux du C02 et du CH4. Les mesures de concentration sont effectuées par absorption infrarouge sur un parcours ouvert, jusqu'à environ 2000 mètres aller-retour, au-dessus de la surface émettrice au moyen de diodes lasers accordables. Les mesures sont effectuées à deux hauteurs séparées. Des concentrations de l'ordre d'une partie par million (ppm) pour le C02 et de 0,01 ppm pour le CH4 peuvent être mesurées selon la longueur du parcours et les conditions météorologiques. Les flux sont calculés à l'aide d'un modèle de diffusion simplifié qui utilise les données météorologiques provenant d'une station portable. Ce travail décrit le système d'origine et met l'emphase sur les transformations qui ont été réalisées dans le but d'optimiser son utilisation.

Cette thèse présente la preuve de concept d’un nouveau système de télédétection multi-gaz utilisant la spectroscopie active d'absorption optique différentielle (active Differential Optical Absorption Spectroscopy ou active DOAS). Le système opère dans l’infrarouge proche et moyen. Celui-ci est conçu pour mesurer des gaz à une distance d’une centaine de mètres avec l’utilisation de cibles non coopératives, telles que les éléments de la topographie du terrain. Le système inclut un générateur paramétrique (Optical Parametric Generator ou OPG) permettant la génération d’impulsions ayant un spectre large (10 à > 100 nm) et dont la longueur d’onde centrale est accordable entre 1.5 et 3.8 µm. Un télescope couplé à un spectrographe et à une caméra MCT-APD maison permettent de détecter le spectre de retour de chaque impulsion. Les expériences montrent la détection simultanée, dans l’air et dans une cellule, de H2O et CO2 à 2 µm et de H2O et CH4 à 3.3 µm. Les limites de détection pour notre expérience sont respectivement de 158 et 1 ppm·m pour le gaz carbonique et le méthane. Un algorithme original permet d’extraire les concentrations de gaz à partir d’un spectre de transmission présentant de signatures fortes d’absorption. Le développement d’un OPG conçu spécialement pour le système est détaillé. Son utilisation offre des avantages intéressants pour la mesure de gaz à distance. Les propriétés de l’OPG sont étudiées numériquement et expérimentalement afin d’optimiser son utilisation pour la mesure de gaz. Nous discutons des compromis à faire sur les paramètres de la pompe, du cristal et des sources d’injection (seed). L’objectif est d’optimiser la densité spectrale et la divergence tout en augmentant l’énergie de sortie. Un laser d’injection large bande est construit et il permet d’optimiser la stabilité de l’OPG d’une impulsion à l’autre, la densité d’énergie et la divergence. Un modèle numérique permet de simuler correctement le niveau de puissance de l’OPG, d’expliquer les mécanismes de saturation de l’amplificateur et de proposer des moyens pour améliorer la stabilité d’une impulsion à l’autre. / This thesis presents the proof-of-concept of a novel remote sensing system designed for the detection of molecular species, such as gas pollutants, via active Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) in the short and mid wavelength infrared (SWIR/MWIR). The system is designed to be used in applications where gases need to be detected at a distance of about one hundred meters with the use of non-cooperative targets such as topographical features. The system includes an Optical Parametric Generator (OPG) generating broad linewidth (10 to > 100 nm) pulses tunable between 1.5 and 3.8 µm. A telescope coupled to a grating spectrograph and an in-house gated MCT-APD measures the whole return spectrum of each pulse. Experiments show simultaneous detection in indoor atmospheric air and inside a cell of H2O and CO2 at 2 µm and H2O and CH4 at 3.3 µm. In the context of our experiment, the detection limits for CO2 and CH4 are 158 and 1 ppm·m, respectively. A new algorithm is also presented enabling the determination of concentrations when spectra include strong absorption features. The development of a dedicated Optical Parametric Generator (OPG) is presented in detail. Its use in remote sensing of gaseous pollutants offers some promising advantages. The OPG properties are studied numerically and experimentally in order to optimize its use for the application. We discuss trade-offs to be made on the properties of the pump, crystal and seeding signal in order to optimize the pulse spectral density and divergence while enabling energy scaling. A seed with a large spectral bandwidth is shown to enhance the pulse to pulse stability and optimize the pulse spectral density and divergence. A numerical model simulating the OPG process is proposed and includes the multiple wavelength nature of the beams. It shows excellent agreement with experimental output power. The model also explains the mechanisms of gain saturation in OPGs and helps finding means of enhancing the pulse to pulse stability.

Ce mémoire concerne les travaux de la spectroscopie infrarouge de réflexion-adsorption (IRRAS) et de la spectrométrie de masse par TDS (thermal désorption spectrometry) réalisés durant les deux dernières années et visant à comprendre la réaction d'Orito. Cette dernière est importante pour synthétiser les molécules chirales dans le domaine pharmaceutique. La réaction d'hydrogénation du réactif 2,2,2-trifluoroacetophenone (TFAP) sur le Pt(lll) chiralement modifié par le l-(l-naphthyl)éthylamine (NEA) est étudiée. Les études IRRAS et TDS des interactions modificateur/Pt(lll), réactifTPt(lll), réactif-H2/Pt( 111), modifïcateur-réactif7Pt( 111), modificateur-réactif-H2/Pt( 111) seront présentées. Ces résultats et l'étude de (l-Éthyle)naphtalène ressemblant à NEA, sont nécessaires dans l'interprétation des observations de la Microscopie à Effet Tunnel(STM) et pour vérifier les structures prévues par la simulation de DFT. Ces résultats permettent de relever davantage les comportements des molécules et l'induction de la chiralité du système sur le Pt(l 11) afin d'améliorer la performance de la réaction. / Réaction d'Orito

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative des neurones moteurs du système nerveux central qui entraîne la paralysie et la mort du patient dans les deux à cinq ans suivant le diagnostic. Le diagnostic actuel se base sur l’observation de symptômes cliniques par le neurologue, ce qui rend la maladie difficile à diagnostiquer précocement avant l’apparition des premiers symptômes cliniques de par l’absence de biomarqueurs chez les individus en vie. La découverte de nouveaux biomarqueurs serait une percée innovante, car elle permettrait de mieux suivre les patients. Il serait ainsi possible de diagnostiquer la maladie plus précocement, en plus de permettre de suivre la progression de la maladie dans le temps. Cela permettrait également de mieux stratifier les patients, de même que d’avoir de meilleures études cliniques en ayant des groupes plus homogènes. Un modèle de peaux reconstruites en laboratoire (PRL) dérivées de cellules de patients SLA développé dans notre équipe a déjà permis d’observer des symptômes cliniques typiques de la maladie normalement observables dans les tissus du système nerveux central suite au décès du patient. Afin de découvrir de nouveaux biomarqueurs dans la peau, la spectroscopie infrarouge a été utilisée sur ces PRL. Cette technique a permis d’observer des différences au niveau de certaines biomolécules entre les PRL dérivées de patients SLA et les PRL dérivées d’individus sains. Plusieurs nombres d’ondes qui présentaient des absorptions différentes ont été attribués à des protéines de la matrice extracellulaire, à des structures secondaires de protéines, ou à des lipides. Ces différentes observations ont permis de constater qu’il y a des différences et qu’il y a possiblement présence de biomarqueurs dans la peau qui pourraient contribuer au diagnostic de la maladie. Des recherches plus approfondies seront cependant nécessaires afin de confirmer ces résultats et de déterminer avec précision la présence de biomarqueurs. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease of the central nervous system that leads to paralysis and death of patients in two to five years following the diagnosis. Actually, the diagnosis is based on the assessment of clinical symptoms by the neurologist. This makes this disease difficult to diagnose early in its progression, before the first visible clinical symptoms, because of the absence of biomarkers in living patients. The discovery of new biomarkers would be an innovative breakthrough, because it would help in patients’ care. It would also allow an early diagnosis and give the opportunity to follow the disease’s progression over time. This would also help with patients’ stratification and improve clinical trials by forming groups that are more homogeneous. A tissue-engineered skin (TES) model derived from ALS patient’s cells was developed in our team and has already allowed the observation of clinical symptoms that are normally only visible in tissues of the central nervous system after the patient’s death. To discover new biomarkers in skin, infrared spectroscopy was used on these TES. This technique has permitted the observation of differences on some biomolecules between TES derived from ALS patients and TES derived from healthy individuals. Many wavenumbers with different absorptions were attributed to extracellular matrix proteins, secondary structures of proteins, and lipids. These differences allowed to see that there are probably biomarkers for ALS in the skin that could help with this disease’s diagnosis. Further researches will be required to confirm these results and determine with accuracy the presence of biomarkers.