Ein vielversprechendes Design für organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) verwendet eine Wirt-Gast-Strategie durch Dispergieren einer kleinen Menge eines hocheffizienten Emitters (der Gast) in eine passende Transportmatrix (der Wirt). Die Aufgabe des Wirts ist den Exzitonentranport zum Emitter sicherzustellen und den Zerfall von Triplet-Exzitonen zu verhindern, und damit eine hohe Bauteilperformance zu erreichen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Beziehung zwischen Molekülstruktur und optoelektrischer Eigenschaften von Carbazol/Dibenzothiophen-Derivaten. Die Untersuchung umfasst sieben dieser Derivate für den Wirt, bei denen die Carbazoleinheit als Donator und die Dibenzothiopheneinheit als Akzeptor fungiert, wobei beide durch einen oder mehrere Phenylabstandshalter verbunden sind. Diese Wahl der Wirtsmaterialien erlaubt es den Einfluss der erweiterten Phenylabstandshalter und der unterschiedlichen molaren Verhältnisse von Akzeptor zu Donator zu untersuchen. Es ergab sich, dass eine kürzere Phenylabstandshalterlänge die Bauteilperformance durch eine größere Löcher- und Elektronendichte in der Emitterschicht verbessert; und ein 1:1 Carbazol-zu-Dibenzothiophen-Verhältnis der Bauteilperformance zuträglich ist, da es zu einem Ladungsträgergleichgewicht in der Emitterschicht führt. Diese Arbeit zeigt, unter Verwendung dieser Wirtsmaterialien, blaue FIrpic-basierte phosphoreszierende OLEDs (PhOLEDs) und grüne 4CzIPN-basierte thermisch aktivierte verzögerte Phosphoreszenz (TADF) OLEDs. Die blauen PhOLEDs und grünen TADF OLEDs mit mDCP zeigten Effizienzen von 43 cd/A (18.6%) beziehungsweise 66 cd/A (21%). / A particularly interesting organic light-emitting diodes (OLEDs) design adopts a host-guest strategy by dispersing a small amount of highly efficient emitter (the guest) into an appropriate transport matrix (the host). The host is utilized to transfer excitons to the emitter and to prevent triplet exciton quenching, thus high device performance can be achieved. The present thesis focuses on the relationship between the molecular structure and opto-electrical properties of carbazole/dibenzothiophene derivatives. The investigation encompasses seven of these derivatives for the host, in which the carbazole unit acts as a donor and the dibenzothiophene as an acceptor while they are linked through phenyl spacer(s). This choice of host materials enables to assess the impact of extended phenyl spacers and different acceptor to donor molar ratios. It was found that decreasing the phenyl spacer length enhances the device performance due to the larger both hole and electron densities in the emitting layer; and a 1:1 carbazole to dibenzothiophene ratio is favorable for device performance, since it balances the charge carriers in the emitting layer. Using these host materials, the work presented in this thesis demonstrates high-performance blue FIrpic-based phosphorescent OLEDs (PhOLEDs) and green 4CzIPN-based thermally activated delayed fluorescence (TADF) OLEDs. The blue PhOLEDs and green TADF OLEDs with mDCP showed efficiencies of 43 cd/A (18.6%) and 66 cd/A (21%), respectively.

Abstract The present thesis exploits advanced liquid and gas NMR methods for the characterization of various interesting materials. The methods used to study the structural properties of thermally modified wood, ionic liquids, cements, shales, and porous organic cages include MRI, NMR cryoporometry, Laplace NMR, multidimensional Laplace NMR, as well as ¹²⁹Xe and ¹⁹F NMR. The commonality factor in all the studies is the usage of either inherent or introduced liquid or gas molecules to probe the topical materials. The MRI method was utilized to visualize the water absorption phenomena in the thermally modified pine wood. High-resolution images made it possible to observe the spatial distribution of free water and the changes in the rate of absorption of water in wood samples modified at different temperatures. The images also helped to resolve the individual resin channels. T₂ maps enabled us to observe the changes in the relaxation values of free water in thermally modified wood as compared to their unmodified reference wood samples. The multidimensional Laplace NMR methods were exploited to study the structural and dynamical properties of a novel halogen-free, boron-based ionic liquid (hf-BIL). NMR self-diffusion (D) experiments showed the presence of two coexisting dynamic phases in hf-BIL. Multidimensional D − T₂ correlation experiments made it possible to determine the T₂ relaxation times of the slow and fast diffusing phases. T₂ − T₂ relaxation exchange measurements allowed quantifying the exchange rates of anions and cations between the phases. Moreover, the theoretical modeling of the experimental data revealed that the slow diffusing phase was composed of anion-cation aggregates, while the fast diffusing phase was comprised of free anions and cations. ¹²⁹Xe NMR analysis of the xenon adsorbed in the cements and shales helped us to determine their porous structures. The method exploits the high sensitivity of the chemical shift of ¹²⁹Xe to its local environment. The chemical shift value of ¹²⁹Xe enabled us to estimate the size of the mesopores in the cement samples. The exchange spectroscopy (EXSY) measurements were used to determine the exchange rates between the free gas and mesopores of the cement samples. ¹²⁹Xe NMR spectra of the shale samples provided information about pore sizes and paramagnetic compounds. ¹H NMR cryoporometry measurements of the shale samples immersed in acetonitrile made it possible to analyze the pore size distribution ranging from 10 to over 100 nm. Moreover, T₂ − T₂ exchange measurements helped us to quantify the exchange rates of acetonitrile in the shale samples. Xenon and SF₆ were used as internal reporters to gain versatile information on adsorption phenomena in the cage and window cavities of the crystalline porous organic cages. ¹²⁹Xe NMR analysis of the adsorbed xenon helped us to determine the diffusion coefficients and activation energy of diffusion as well as thermodynamic parameters. With the help of T₂ relaxation time values, it was possible to estimate the exchange rates between cage and window cavities. Chemical exchange saturation transfer (CEST) experiments resolved a window cavity site, which arises from crystal defects in porous organic cages. In addition, ¹⁹F NMR analysis made it possible to estimate the relaxation rates and diffusion coefficients of SF₆ gas in porous organic cages. Modelling of the T₁, T₂ and diffusion data confirmed that the cage to window exchange is the completely dominating mechanism for ¹²⁹Xe T₂ relaxation. T₁ relaxation is dominated by diffusion modulated dipole-dipole relaxation (DDinter) and chemical shift anisotropy (CSA) relaxation due to local cavity mobility. Whereas, in case of SF₆ T₂ data, the dominating mechanism is diffusion modulated dipole-dipole relaxation and for T₁ the local tumbling of SF₆ in cage cavity is the key dynamics behind the dipole-dipole and CSA mechanisms. / Original papers The original publications are not included in the electronic version of the dissertation. Javed, M. A., Kekkonen, P. M., Ahola, S., & Telkki, V.-V. (2015). Magnetic resonance imaging study of water absorption in thermally modified pine wood. Holzforschung, 69(7), 899–907. https://doi.org/10.1515/hf-2014-0183 Javed, M. A., Ahola, S., Håkansson, P., Mankinen, O., Aslam, M. K., Filippov, A., … Telkki, V.-V. (2017). Structure and dynamics elucidation of ionic liquids using multidimensional Laplace NMR. Chem. Commun., 53(80), 11056–11059. https://doi.org/10.1039/c7cc05493a http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe2017102750335 Javed, M. A., Komulainen, S., Daigle, H., Zhang, B., Vaara, J., Zhou, B., & Telkki, V.-V. (2019). Determination of pore structures and dynamics of fluids in hydrated cements and natural shales by various ¹H and ¹²⁹Xe NMR methods. Microporous and Mesoporous Materials, 281, 66–74. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.02.034 http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe2019041712678 Komulainen, S., Roukala, J., Zhivonitko, V. V., Javed, M. A., Chen, L., Holden, D., … Telkki, V.-V. (2017). Inside information on xenon adsorption in porous organic cages by NMR. Chemical Science, 8(8), 5721–5727. https://doi.org/10.1039/C7SC01990D http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe201709288804 Håkansson, P., Javed, M. A., Komulainen, S., Chen, L., Holden, D., Hasell, T., … Telkki, V.-V. (2019). NMR relaxation and modelling study of the dynamics of SF₆ and Xe in porous organic cages. Manuscript.

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Cette thèse est dédiée à la caractérisation des vents descendants de vallée en terrain complexe d'orographie modérée à moyenne latitude, dans le contexte de la réglementation des rejets atmosphériques de Cadarache. Cadarache est un des centres de recherche du "Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives" (CEA), installé dans une petite vallée (CV) confluente à la vallée de la Durance (DV). Ces deux vallées se distinguent par leur taille, et sont le siège d'écoulements aux caractéristiques différentes en stratification stable. Un forçage synoptique faible associé à un ciel dégagé sont dans la région des conditions fréquentes qui favorisent la stabilité atmosphérique et consécutivement la mauvaise dispersion des polluants, faisant de cette situation un sujet d'intérêt majeur. La campagne de mesure KASCADE (KAtabatic winds and Stability over CAdarache for Dispersion of Effluents) constitue le volet expérimental de l'étude. Réalisée pendant l'hiver 2013 elle a couvert 3 mois d'observation continue et complétée de 23 périodes d'observation intensive (POI). L'analyse montre que les écoulements descendant les vallées de Cadarache (CDV) et de la Durance (DDV) dominent pendant toute la période d'étude. La stabilité s'installant dès le coucher du soleil, le courant CDV s'épaissit progressivement. Le profil de vent en forme de jet présente son maximum à environ 30 m où il atteint 2 à 3 m s-1. Il se maintient toute la nuit et disparaît avec l'inversion de stabilité. Comme la station météorologique du centre manque de capteur de vent dans la CV même, une méthode a été développée pour diagnostiquer le CDV en exploitant l'instrumentation actuelle. Ainsi, si la prévision de ce vent n'est pas à la portée du modèle méso-échelle WRF avec une résolution kilométrique, cette méthode le permet en combinant une descente d'échelle dynamique et statistique. Le vent DDV est identifié comme un vent qui suit l'axe de la vallée, fortement corrélé à la stabilité à l'échelle régionale car il n'apparaît que la nuit lorsque le forçage synoptique est faible. Ce vent n'arrive à Cadarache que 6 à 9 heures après le coucher du soleil avec une grande variabilité. D'un autre côté, il est à son maximum au lever du soleil avant que les processus convectifs ne démarrent, et présente un jet autour de 200 m avec des vitesses de 4 à 8 m s-1 et dont la hauteur est corrélée à la profondeur de la vallée. Dans les simulations avec WRF, malgré des défauts, la DV étant bien résolue avec une maille de 1 km, l'occurrence de ce vent est assez bien simulée. Par ailleurs l'examen de ses caractéristiques spatiales montre qu'il s'agit soit d'un écoulement de drainage, soit d'un écoulement canalisé forcé. Bien qu'on ne dispose pas de données suffisantes pour élucider le mécanisme dominant de déclenchement du vent DDV, les deux précédemment identifiés sont de bons candidats. / Stable stratification can be one of the most penalizing condition concerning pollutants in the atmospheric boundary layer. Over complex terrain under these conditions, the relief may modify the flow. Therefore the knowledge of down-valley wind characteristics influencing the wind field at Cadarache and its close surroundings is crucial for safety regulation in the context of sanitary impact of the site. Cadarache is a CEA research centre and located in the Prealps of southeast France. It is embedded in a small valley, the Cadarache Valley (CV), which is one of the tributaries of the larger Durance Valley (DV). The two valleys are distinct in size and therefore react differently to stable conditions, and are investigated by means of observations (field experiment KASCADE : KAtabatic winds and Stability over CADarache for Dispersion of Effluents) and simulations (the Weather Research and Forecasting (WRF) model). To investigate the valley wind behaviour, the KASCADE campaign has been designed and conducted in the winter of 2013, covering a 3-month period and 23 intensive observation periods (IOP). It resulted in a well-documented campaign, from which the analysis shows that the Cadarache and Durance down-valley (CDV and DDV respectively) winds are both dominant flows during the period of investigation. The CDV wind is a thermally driven flow, with regular wind speeds up to 2 - 3 m s-1 up to 50 m agl. It persists throughout the night and disappears in the early morning with the stability. The current observational network of Cadarache lacks means of measurement for inside CDV wind. This work shows that it can be nowcasted from available meteorological tower observations. Due to the CV small scale, currently a wind forecast on kilometer resolution is out of reach, but the methodology developed here can be used to forecast the wind through a combination of dynamical and statistical downscaling. The DDV wind has been recognized as down-valley oriented, and strongly related to stability at a regional scale, as it exists only after sunset when synoptic forcing is very weak. DDV wind arrival at Cadarache is mostly observed 6 to 9 hours after sunset, but however dominantly present around sunrise, when convectively driven processes are not yet established. Jets are observed mostly at around 200 m agl with wind speeds between 4 and 8 m s-1. Despite some (general) deficiencies of the WRF model, the DDV wind is simulated close to reality thanks to the 1-km resolution allowing a correct representation of the Durance valley orography. The ensemble of 23 simulated IOPs allowed further to characterize the flow in a spatial sense and to recognize drainage and flow channelling as most important candidates for the flow mechanism.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique technologique des décharges électrostatiques sur les panneaux solaires des satellites de télécommunication en orbite géostationnaire. Son objectif est de déterminer les évolutions des propriétés électriques d'un adhésif silicone commercial en environnement spatial et de les corréler aux évolutions de sa structure chimique. Les principaux constituants du matériau ont été identifiés et des échantillons dépourvus de particules de renfort - assimilés à la matrice polymère isolée - ont été élaborés. Afin d'évaluer l'influence des particules, ils ont été systématiquement comparés aux échantillons nominaux dans l'ensemble de ces travaux. La structure physico-chimique du matériau à l'état initial a été caractérisée en étudiant ses relaxations enthalpiques, mécaniques et en pratiquant des analyses chimiques. Son comportement électrique (relaxations dipolaires et conductivité) a été sondé grâce à une approche expérimentale inédite croisant la technique de relaxation de potentiel électrostatique de surface, la spectroscopie diélectrique dynamique et l'analyse des courants thermo-stimulés. Le vieillissement du matériau en environnement spatial a été simulé expérimentalement par l'exposition des échantillons à des flux élevés d'électrons de haute énergie. Les analyses chimiques, notamment en RMN du solide, ont montré la prédominance d'un processus de réticulation du matériau sous irradiation, et des mécanismes de dégradation à l'échelle microscopique ont été proposés. Le comportement électrique du matériau est fortement impacté par l'évolution de sa structure chimique : sa résistivité augmente considérablement avec la dose ionisante. Il est suggéré que la résistivité de ce matériau soit directement liée à son degré de réticulation, influant sur la mobilité des porteurs dans le cadre du hopping et de la percolation électrique. Cette augmentation est beaucoup plus marquée en présence de particules, ce qui a été attribué à la formation de nœuds de réticulation matrice-particules qui constituent des pièges plus profonds pour les porteurs de charges. Ces travaux apportent une meilleure compréhension des phénomènes de vieillissement des élastomères silicones en environnement spatial. Ils permettront d'anticiper des évolutions structurales qui pourraient mettre en péril leur fonction d'adhésion, ainsi que des évolutions de résistivité électrique intrinsèque, facteur décisif dans le déclenchement de décharges électrostatiques. / This PhD thesis falls within the technical field of electrostatic discharges occurring on the solar arrays of communications satellites in the geostationary orbit. Its main objective consists in assessing the evolutions of a space-used commercial silicone adhesive's electrical properties, and to correlate them with the evolutions of its chemical structure. The main components of this material have been identified, and neat samples (deprived of fillers) were elaborated so as to study the isolated polymer matrix. In order to assess the influence of filler incorporation, neat samples were systematically compared with the commercial ones in this study. The material's physicochemical structure in the initial state was characterized by studying its enthalpy relaxations, mechanical response, and by performing chemical analysis. Its electrical behavior (dipole relaxations and conductivity) was investigated thanks to an original experimental approach combining surface potential decay measurements, broadband dielectric spectroscopy, and thermally stimulated depolarization currents. Aging in the space environment was experimentally simulated by exposing the samples to high fluxes of high energy electrons. Chemical analysis (solid state NMR in particular) revealed the predominant crosslinking tendency of this material under ionizing radiations, and allowed to suggest degradation mechanisms at the microscopic scale. These structural evolutions also strongly impact its electrical behavior: a great increase in electrical resistivity has been observed with increasing ionizing dose. It is believed that electrical resistivity directly depends on the degree of crosslinking, which affects charge carrier mobility, in the theoretical frame of hopping and percolation models. The increase in resistivity is considerably more pronounced in the filled material, which could be associated with crosslinking occurring at the matrix-particles interface. Such crosslinks are thought to represent deeper traps for charge carriers. This work brought better understanding of aging phenomena in silicone elastomers exposed to the ionizing space environment. This knowledge will help predicting structural evolutions that may compromise vital properties such as adhesion, and the evolutions of intrinsic conductivity, a critical factor involved in the triggering of electrostatic discharges.

Les liquides complexes sont des matériaux très prometteurs pour réaliser la conversion bon marché et à grande échelle d’énergie thermique en énergie électrique, dans un contexte de réchauffement climatique et de maîtrise de la consommation d’énergie. Nous montrons qu’en présence d’un couple redox, les cellules thermogalvaniques à base de liquides ioniques (NEA et EMIMTFSI) présentent des propriétés remarquables tels des coefficients Seebeck de plus de 5 mV/K (Eu³⁺/Eu²⁺ dans l’EMIMTFSI). De même, ces travaux présentent l’utilisation de ferrofluides, solutions colloïdales (aqueuses ou à base de solvants organiques) de nanoparticules magnétiques (maghémite), pour accroître le coefficient Seebeck et le courant extractible de générateurs thermoélectriques liquides. Les phénomènes réversibles d’adsorption des nanoparticules sur la surface des électrodes jouent également un rôle important sur les propriétés thermoélectriques de ces solutions, et sont modifiés par l’application de champs magnétiques homogènes parallèles ou perpendiculaires au gradient de température.En l’absence d’un couple redox, les liquides ioniques peuvent être utilisés pour fabriquer des supercondensateurs à charge thermique. Ces derniers exploitent les modifications avec la température des double couches électriques aux interfaces liquide/électrode. Nous avons étudié ici ces modifications de double couches dans l’EMIMBF4 par simulations numériques de Monte-Carlo. Les résultats démontrent un accroissement conséquent des propriétés thermoélectriques lors de la dilution du liquide ionique dans un solvant organique, l’acétonitrile, en accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. / Complex liquids are promising material for low cost and wide scale conversion of thermal energy to electric energy, within a context of global warming and control of the energy consumption.In this work we showed that with a redox couple, ionic liquid (EAN and EMIMTFSI) based thermogalvanic cells present remarkable thermoelectric properties such as the Seebeck coefficient over 5 mV/K (Eu³⁺/Eu²⁺ in EMIMTFSI). Moreover, we demonstrated for the first time that ferrofluids, colloidal solutions (aqueous or organic solvent based) of magnetic nanoparticles (maghemite), can be used to increase both the Seebeck coefficient and the electric current in liquid thermoelectric generators through unknown physical processes. The importance of reversible adsorption phenomena of the nanoparticles on the electrodes’ surface for the thermoelectric properties of these solutions was revealed. That can be further modified by a homogeneous magnetic field applied perpendicular or parallel to the temperature gradient. Without a redox couple, ionic liquids can be used to build thermally chargeable supercapacitors. They take advantage of temperature dependent electrical double-layer formation at liquid/electrode interfaces. Here, we studied these double-layer modifications in EMIMBF4/platinum through Monte-Carlo simulations. The results show substantial modifications in the thermoelectric properties when the ionic liquid is diluted in an organic solvent, acetonitrile. These results are qualitatively consistent with experimental measurements.

Dans le cadre de l'augmentation de la densité de stockage des mémoires magnétorésistives à accès direct (MRAM), les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire sont particulièrement intéressants car ils possèdent une très forte anisotropie. Cependant, cette augmentation d'anisotropie induit également un accroissement de la consommation d'écriture. Un nouveau concept d'écriture assistée thermiquement a été proposé par le laboratoire SPINTEC. Le principe est de concevoir une structure très stable à température ambiante, mais qui perd son anisotropie lorsqu'elle est chauffée, facilitant ainsi l'écriture. Le but de cette thèse est de valider expérimentalement ce concept. Les premiers chapitres sont consacrés à l'optimisation des matériaux à anisotropie perpendiculaire que sont les multicouches (Co/Pt), (Co/Pd) et (Co/Tb). Leur intégration dans une jonction tunnel magnétique est ensuite présentée. L'évolution de l'anisotropie en température, paramètre crucial au bon fonctionnement de l'assistance thermique, a également été étudiée. Enfin, il est démontré que l'écriture thermiquement assistée est particulièrement efficace : les structures développées présentent une consommation d'écriture réduite par rapport aux structures classiques et une forte stabilité à température ambiante. / In order to increase the storage density of magnetoresistive random access memories (MRAM), magnetic materials with perpendicular anisotropy are very appealing thanks to high anisotropy. However, the enhancement of anisotropy induces an increase of writing consumption as well. A new thermally assisted switching concept has been proposed by SPINTEC laboratory. The principle is to design a highly stable structure at stand-by temperature which loses its anisotropy when heated, making thus the switching easier. The aim of this thesis is to validate experimentally this concept. The first chapters describe the optimisation of out-of-plane magnetic materials such as (Co/Pt), (Co/Pd) and (Co/Tb) multilayers. Their integration in magnetic tunnel junctions is then presented. The evolution of anisotropy with temperature is a critical parameter for thermally assisted writing and has been therefore studied. Finally, the efficiency of this thermally assisted writing is demonstrated: the developed structures present a reduced consumption compared to standard structures and high stability at room temperature.

This research was designed to provide an understanding of physical wind mechanisms within the complex terrain of the Great Valley of Eastern Tennessee to assess the impacts of regional air flow with regard to synoptic and mesoscale weather changes, wind direction shifts, and air quality. Meteorological data from 2008–2009 were analyzed from 13 meteorological sites along with associated upper level data. Up to 15 ancillary sites were used for reference. Two-step complete linkage and K-means cluster analyses, synoptic weather studies, and ambient meteorological comparisons were performed to generate hourly wind classifications. These wind regimes revealed seasonal variations of underlying physical wind mechanisms (forced channeled, vertically coupled, pressure-driven, and thermally-driven winds). Synoptic and ambient meteorological analysis (mixing depth, pressure gradient, pressure gradient ratio, atmospheric and surface stability) suggested up to 93% accuracy for the clustered results. Probabilistic prediction schemes of wind flow and wind class change were developed through characterization of flow change data and wind class succession. Data analysis revealed that wind flow in the Great Valley was dominated by forced channeled winds (45–67%) and vertically coupled flow (22–38%). Down-valley pressure-driven and thermally-driven winds also played significant roles (0–17% and 2–20%, respectively), usually accompanied by convergent wind patterns (15–20%) and large wind direction shifts, especially in the Central/Upper Great Valley. The behavior of most wind regimes was associated with detectable pressure differences between the Lower and Upper Great Valley. Mixing depth and synoptic pressure gradients were significant contributors to wind pattern behavior. Up to 15 wind classes and 10 sub-classes were identified in the Central Great Valley with 67 joined classes for the Great Valley at-large. Two-thirds of Great Valley at-large flow was defined by 12 classes. Winds flowed on-axis only 40% of the time. The Great Smoky Mountains helped create down-valley pressure-driven winds, downslope mountain breezes, and divergent air flow. The Cumberland Mountains and Plateau were associated with wind speed reductions in the Central Great Valley, Emory Gap Flow, weak thermally-driven winds, and northwesterly down sloping. Ridge-and-valley terrain enhanced wind direction reversals, pressure-driven winds, as well as locally and regionally produced thermally-driven flow.

In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates. <br><br> The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers. <br><br> In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed. / In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren. <br><br> Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden. <br><br> Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert.

D’ençà que el polietilè reticulat (XLPE) es va començar a utilitzar com aïllament elèctric per cables de subministrament elèctric, s’han destinat molts esforços a l’estudi de les propietats dielèctriques del polietilè i l’efecte que la càrrega d’espai té sobre el seu comportament. En aquest sentit, les corrents de despolarització estimulades tèrmicament (TSDC) s’han utilitzat extensament per estudiar les relaxacions de càrrega d’espai. Aquesta tècnica ha demostrat tenir prou resolució per distingir diferències en aïllaments de XLPE amb composicions o processos de fabricació diferents. En aquesta tesi, els mecanismes de conducció dels aïllaments XLPE de cables de mitjana tensió (MV) han estat estudiats per TSDC i diverses tècniques complementàries, com l’anàlisi dinàmica elèctrica (DEA), les corrents d’absorció/resorció (ARC), el pols electroacústic (PEA) i les corrents de despolarització isotèrmiques (IDC). Altres tècniques, com l’espectroscòpia d’infrarojos (FTIR) o la difracció de raigs X, han estat també utilitzades per caracteritzar el material. S’han obtingut espectres TSDC per diferents mostres de cable, les quals en condicions de servei treballen en un rang de tensió AC de 12 a 20kV i a temperatures al voltant dels 90ºC. D’altra banda, s’han realitzat mesures de la conductivitat per ARC i DEA en mostres de cable, en cilindres de XLPE i en films. Les mesures s’han dut a terme a temperatures pertanyents al rang de fusió del XLPE (50–110ºC), en mostres sotmeses a aquestes temperatures durant diferents períodes de temps. Els resultats mostren diferències importants entre el comportament de les propietats conductives de les mostres de cable amb pantalles semiconductores (SC) i sense (cilindres de XLPE). El comportament observat ha estat explicat mitjançant la coexistència de dos mecanismes de conducció. La difusió d’impureses des de les pantalles SC determina el comportament d’una d’aquestes contribucions a mig i llarg termini. Els resultats obtinguts per FTIR són consistents amb aquest model. Respecte la microestructura, tant les mesures DSC com la difracció per raigs X mostren que existeixen processos de recristal•lització quan les mostres són sotmeses a temperatures ubicades dins del rang de fusió. Els electrets formats mitjançant el mètode de la polarització per finestres (WP) mostren una descàrrega TSDC amb un ample pic heteropolar en el rang de fusió, amb el màxim al voltant dels 105ºC. En treballs previs, aquest pic es va associar a la fusió de la fracció cristal•lina. Tanmateix, en lloc de decréixer quan la temperatura de polarització augmenta, el pic presenta una temperatura de polarització òptima al voltant de 90-95ºC. Aquest comportament ha estat explicat tenint en compte els processos de recristal•lització que es produeixen quan el material es polaritza isotèrmicament. Durant la recristal•lització, una nova fracció cristal•lina creix en un estat polaritzat degut el camp aplicat, i origina una corrent de despolarització quan es fon durant la mesura TSDC. Amb l’objectiu de determinar l’origen d’altres pics que apareixen en l’espectre TSDC del XLPE, s’han emprat les IDC com a tècnica complementària. Les corrents IDC obtingudes de mostres no tractades es poden representar com la combinació de dues contribucions diferenciades: un terme que és una funció potencial del temps i un d’exponencial. La segona relaxació es correspon amb un pic TSDC que apareix a 95ºC. D’aquesta manera s’ha pogut determinar l’origen dipolar del pic. Finalment, mitjançant la tècnica PEA s’ha obtingut la distribució de la càrrega d’espai en mostres polaritzades que havien estat sotmeses a diferents tractaments tèrmics. S’ha observat un comportament transitori tant per PEA com per TSDC. Tanmateix no s’ha pogut establir cap relació directa entre les descàrregues TSDC i mesures PEA. En conseqüència, s’ha proposat una explicació per les corbes TSDC que considera mecanismes que no són detectables en els perfils de càrrega obtinguts per PEA / Since cross-linked polyethylene (XLPE) started to be used as electrical insulation for power cables, much research has been focused on polyethylene dielectric properties and the effect of the space charge on its behavior. In this sense, thermally stimulated depolarization currents (TSDC) have been widely used to study space charge relaxation. This technique has proved to have enough resolution to determine differences in charge trapping properties among XLPE insulations with different composition and manufacturing processes. In this thesis work, the conduction mechanisms of medium voltage (MV) cable XLPE insulation have been studied by TSDC and several complementary techniques, such as dynamic electrical analysis (DEA), absorption/resorption currents (ARC), pulsed electroacoustic (PEA) and isothermal depolarization currents (IDC). Other techniques, like Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy or X-ray diffractometry, have been used to characterize the material. TSDC spectra have been obtained for different cable samples, which in service conditions work under AC voltages ranging from 12 to 20kV and at temperatures around 90ºC. On the other hand, conductivity measurements by ARC and DEA have been performed in cable samples and in XLPE cylinders, as well as XLPE films. Measurements have been carried out at temperatures within the melting temperature range of XLPE (50–110ºC) on samples annealed at such temperatures during several annealing times. Results show significant differences in the behavior of the conductive properties of XLPE cable samples with semiconducting (SC) screens and without them (XLPE cylinders). The observed behavior has been explained by the coexistence of two conduction mechanisms. Diffusion of impurities from SC screens determines the medium and long-term behavior of one of these contributions and, hence, of cable conductivity. FTIR results are consistent with this model. With respect to microstructure, DSC and X-ray diffractometry results show that recrystallization processes exist when samples are annealed in the melting range of temperatures. Electrets formed by means of the windowing polarization method (WP) showed a TSDC discharge with a wide heteropolar peak in the melting temperature range, and with the maximum at about 105ºC. This peak was associated with the melting of the crystalline fraction in previous works. However, in spite of decreasing with the temperature of polarization, an optimal polarization temperature around 90–95ºC is found. This behavior has been explained by taking into account recrystallization processes when the insulation is isothermally polarized. During recrystallization, the new crystalline fraction grows in a polarized state due to the applied electric field, and it causes the depolarization current when it melts during the TSDC measurement. Results obtained from different experiments are consistent with this assumption. With the aim to find out the origin of other TSDC peaks present in the spectrum of XLPE cable samples, IDC has been used as complementary technique. IDC currents obtained from as-received cable samples at temperatures close to service conditions can be considered as the combination of two different contributions: a power law current and a stretched exponential contribution. The last relaxation process has been successfully associated with with a TSDC peak found at 95ºC. By this way the dipolar origin of the peak has been determined. Finally, PEA measurements have provided the space charge distribution profiles of polarized samples with different annealings. A transient behavior has been observed in both PEA and TSDC measurements. However, no straightforward relation between TSDC discharges and space charge detected by PEA can be established. Therefore, an explanation for TSDC curves has been proposed, which considers mechanisms that are not noticeable in charge profiles obtained by PEA.