Rozprawy doktorskie na temat „Interface oscillations”

Dans les procédés liés aux émulsions, des écoulements turbulents et polyphasiques entrent en jeu. De tels procédés apparaissent dans des domaines variés. Dans l'industrie agro-alimentaire, la production de lait fait intervenir un homogénéisateur à haute pression, et certains produits tels que la mayonnaise sont des émulsions stables. On trouve aussi des émulsions dans le domaine de la santé : elles assurent le bon fonctionnement de nos poumons, tandis que d'autres peuvent être injectées par voie parentérale en tant que médicaments. On les retrouve aussi dans les procédés de séparation, par exemple eau-brut de pétrole dans l'industrie pétrochimique. Dans tous les cas, la fragmentation et la coalescence des bulles et gouttes doivent être maîtrisées, car elles influencent directement la distribution en taille de la phase dispersée. La fréquence d'apparition de ces phénomènes peut être prédite en utilisant des modèles adaptés. Cependant, la présence de molécules tensioactives modifie grandement cette fréquence et par conséquent la distribution en taille en sortie du procédé. Or, ce type de molécules est présent dans quasiment tous les procédés polyphasiques. L'étude des effets des tensioactifs dans ces procédés s'est alors imposée. Dans un des plus récents modèles, les bulles ou gouttes sont considérées comme des oscillateurs forcés par la turbulence de l'écoulement environnant. Il est alors nécessaire de connaître à la fois la turbulence dans le voisinage de la goutte et les propriétés dynamique de la goutte. La première peut être déterminée expérimentalement. La réponse de la goutte au forçage est alors décrite comme une somme d'harmoniques sphériques dont la dynamique est décrite pour chaque mode par une pulsation et un coefficient d'amortissement. Cette thèse aborde l’étude des effets des tensioactifs sur ces deux grandeurs. Elle s’est déroulée en collaboration entre l'IMFT et le LGC, ce qui a permis d'associer les compétences de chaque laboratoire dans les domaines de la physico-chimie, de l'hydrodynamique des phases dispersées et des écoulements turbulents diphasiques. Le projet lors de cette thèse est d'étudier numériquement les effets des tensioactifs sur les échelles temporelles caractéristiques des oscillations, dans le cas où la goutte est immobile ou bien en mouvement dans un fluide externe. Une équation de transport des tensioactifs ainsi que l'effet Marangoni à l'interface ont été modelisés dans le code DIVA, et validés à l'aide de cas tests. Ensuite, des simulations de gouttes subissant des oscillations de forme suivant le mode 2 des harmoniques sphériques ont permis de décrire les effets des tensioactifs sur la dynamique des interfaces. Ils ont été validés par la théorie pour des oscillations linéaires. Le couplage entre le mouvement d'ascension et les oscillations de formes a aussi été étudié, afin de comprendre l'effet d'un fort effet Marangoni, généré par l'ascension de la goutte, sur les oscillations. Les viscosités de surface peuvent aussi influencer radicalement la dynamique interfaciale. Lors de cette thèse, une méthode a été développée et validée pour permettre à l'outil de simulation de prendre en compte des viscosités de surface en se basant sur le modèle de Boussinesq-Scriven. Leur effet sur la dynamique des oscillations de forme a été étudié.

Introduction. Les animaux et les humains sont capables de moduler leur propre activité cérébrale, pourvu que leur soit donné un retour sensoriel en temps-réel de celle-ci. La gamme des activités contrôlables s’étend des rythmes oscillatoires, à la réponse hémodynamique , au taux de décharge des neurones ou même au signal calcique associé aux potentiels d’action. Le contrôle volontaire des activités neuronales, facilité par le plan expérimental d’un paradigme en boucle fermée, est au cœur de l’interaction corps-esprit et peut être utilisé pour adresser des questions philosophiques. Mais comme de nombreuses études l’ont démontré, les interfaces homme-machine sont aussi un outil puissant dans la réhabilitation motrice, la gestion de la douleur, la régulation des émotions, ou encore l’amélioration de la mémoire. Étant donné que la plupart des études a été conduite sur les sujets humains avec des techniques non-invasives, les mécanismes neurophysiologiques de l’autorégulation neuronale sont restés mal connus. L’objectif principal de ce travail était donc d’élaborer une description des principes physiologiques sous-tendant cette technique.Objectifs. D’après la théorie des oscillations neuronales à des multiples niveaux, la présente enquête était principalement définie par les questions suivantes : 1) Quels sont les marqueurs physiologiques du contrôle volontaire des activités neuronales? 2) Existe t-il des échelles spatiotemporelle plus facilement modulables que d’autres? 3) Les effets de l’entrainement sont –ils spécifiques ou généralisables en espace et fréquence ? et 4) Quelles sont les stratégies cognitives efficace pour contrôler les activités oscillatoires parmi plusieurs sujets ? Pour adresser ces questions, dans mon travail j’ai utilisé les enregistrements intracérébraux avec des macro- et micro-électrodes chez les patients épileptiques dans le cadre d’un bilan pré-chirurgical
Introduction. Animals and humans are capable to modulate their own brain activity if they are provided with real-time sensory feedback thereof. The range of controllable neural activities reaches from oscillatory brain rhythms, over hemodynamic response function to the firing of single neurons or even action-potential associated calcium signals. The voluntary control of neural activity facilitated by this ‘closed-loop’ experimental paradigm is at the very heart of the mind-body interaction and can be used to address philosophical questions. But as numerous successful applications of neurofeedback and brain-computer interfaces have demonstrated, it is also a powerful tool in motor rehabilitation, pain management, emotion regulation or memory improvement. Because most previous studies were conducted on humans using non-invasive recordings techniques, the neurophysiological mechanisms of neural self-regulation remained obscure. The main objective of the present work was thus to provide a better understanding of its underlying principles. Objectives. Following a multiscale theoretical framework of neural oscillations, the present investigation was largely guided by the following questions: 1) What are the physiological markers of successful control? 2) Are some regions or spatiotemporal scales more easily controllable than others? 3) Are training effects specific or generalized? and 4) What are subject-invariant successful cognitive strategies of neural self-control? To address these questions, we took advantage of intracerebral macro- and micro-electrode recordings in epileptic patients undergoing long-term monitoring in the presurgical context

La statilite d'une interface traversee par un courant electrique; entre deux fluides non miscibles, de densites differentes, plonges dans un champ magnetique, est etudiee premierement par une approche perturbatoire. Les deux fluides sont pris en sadwich entre deux electrodes. Les quatre milieux, d'epaisseur et de conductivite electriques finies, sont consideres comme infinis dans les directions horizontales. L'importance des non uniformites des courants et champs magnetiques est mise en evidence, ainsi que des grandes echelles du phenomene. En second lieu, un modele numerique, puis une experience de laboratoire, ou les forces electromagnetiques sont remplacees par une excitation mecanique, permettent l'etude des oscillations d'interface dans le cas particulier des cuves a aluminium

La mémoire spatiale est composée d'une phase d''encodage pendant l'éveil, suivi par une phase de consolidation pendant le sommeil, au cours de laquelle les séquences d'activation des cellules de lieu sont rejouées. Ces réactivations ont lieu pendant des oscillations à hautes fréquences du sommeil à ondes lentes, appelées les sharp-wave ripples (SPW-Rs) dont l'occurrence est coordonnées avec celle des autres rythmes corticaux (ondes delta 2-4Hz et spindles 10-15Hz). Ce modèle bien que largement accepté ne repose que sur des études corrélatives. De plus, les SWP-Rs et les ondes delta sont impliquées à la fois dans l'homéostasie du sommeil et dans la consolidation de la mémoire. Or l'interaction entre les deux phénomènes n'a jamais été caractérisée. Au moyen d'une interface cerveau machine, nous avons associé les réactivations spontanées d'une cellule de lieu pendant le sommeil à une stimulation électrique de récompense. Au réveil les souris allaient dans le champ de lieu du neurone démontrant la possibilité de créer des souvenirs artificiels pendant le sommeil. Ceci démontrait également le rôle causal des cellules de lieu dans la navigation spatiale ainsi que l'existence de réactivations d'informations spatiales pendant le sommeil. Dans un second temps, nous avons développé une deuxième interface cerveau-machine permettant de manipuler les ondes delta. Nous avons également montré que l'occurrence des SPW-Rs et des ondes delta diminuent avec le temps de sommeil en maintenant leur coordination. Enfin nous avons identifié une sous-population de neurones corticaux potentiellement impliquée dans la génération des ondes delta et leur régulation par la pression homéostatique de sommeil
Spatial memory is composed of an encoding phase during wakefulness, followed by a consolidation phase during sleep, corresponding to the replay of sequences of activation of hippocampal place cells observed during wake. Those reactivations occur during slow wave sleep, mostly during hippocampal high frequency oscillations, called sharp-wave ripples (SPW-Rs). Moreover, SPW-Rs occurrence is coordinated with others cortical rhythms (delta waves 2-4Hz and spindles 10-15Hz). Although this theoretical framework is widely accepted, it is only based on correlative studies. Moreover, in addition to memory consolidation, SPW-Rs and delta waves are also involved in sleep homeostasis. Finally, a fine description of the interactions between the two phenomena is still lacking. By using a newly designed brain machine interface, we associated spontaneous reactivations of a single place cell during sleep to intracranial rewarding stimulations. At awakening, mice went and stayed within the place field of the related neuron, demonstrating the possibility to create artificial memories during sleep. It also demonstrated the causal role of place cells on spatial navigation, and that they still convey spatial information during sleep supporting the existence of sleep reactivation. We also developed a second brain machine interface in order to manipulate delta waves during sleep. We showed that the occurrence of both SPW-Rs and delta waves decrease during sleep, even though their coordination was maintained. Finally, we identify a sub-population of cortical neurons potentially involved both in the generation of delta waves and their modulation by the homeostatic pressure of sleep

L'étude expérimentale du transfert de matière est réalisée pour 3 systèmes ternaires mettant en jeu principalement des molécules plutôt que des ions. Deux phénomènes sont observés: un effet électrostatique (orientation des molécules) et un effet électrodynamique (modification de la tension interfaciale). Un contacteur à électrode externe, soumis à des oscillations forcées est utilisé pour l'extraction de l'acide acétique. Lorsque la fréquence des oscillations est égale à la fréquence de résonance naturelle des gouttes on observe une diminution de la vitesse de chute et une augmentation du coefficient de transfert. La taille des gouttes a aussi une influence.

Cette thèse est dédiée à l'étude des propriétés de magnéto-transport des gaz d'électrons bidimensionnel, et plus spécifiquement du graphène sur carbure de silicium (G/SiC) ainsi qu’à l'interface entre les oxydes complexes LaAlO3 (LAO) et SrTiO3 (STO). Nous exploitons la génération d’un champ magnétique intense (jusqu'à 80 T) et les très basses températures (jusqu'à 40 mK) pour étudier les propriétés de transport quantique, qui sont évocatrices de la structure de bandes électroniques sous-jacente. Dans G/SiC, à la limite du régime d’effet Hall quantique, nous mesurons un plateau de Hall ultra-large quantifié à R=h/2e² couvrant un champ magnétique de plus de 70 T (de 7 T à 80 T). La résistance longitudinale est proche de zéro mais présente, de manière inattendue, de faibles oscillations périodiques avec l’inverse du champ magnétique. Sur la base d’observations microscopiques, ce gaz d’électrons 2D est modélisé par une matrice de graphène ayant une densité de porteurs de charge faible, parsemée d’ilots de taille micrométrique ayant un dopage plus important. Les simulations numériques des propriétés de transport reproduisent bien le plateau de Hall et la présence des oscillations. Au-delà du substrat de SiC qui agit comme un réservoir de charge et stabilise le facteur de remplissage à ν=2, un transfert de charge dépendant du champ magnétique entre les ilots chargés est responsable de la présence des oscillations de la magnétorésistance. Cette étude originale fournit de nouvelles perspectives pour des applications en métrologie. Les propriétés remarquables des gaz d’électrons 2D à l'interface entre les oxydes complexes LAO et STO sont aujourd'hui envisagées pour le développement de futurs dispositifs multifonctionnels. Toutefois, leurs propriétés électroniques sont encore mal connues et nécessitent des recherches plus approfondies. Dans ces systèmes, la magnétorésistance montre des oscillations de Shubnikov-de Haas (SdH) quasi-périodiques et un effet Hall linéaire jusqu'à 55 T à basse température. Nous observons une différence d’un ordre de grandeur entre la densité de porteurs extraite de la période des oscillations SdH et la pente de la résistance de Hall, impliquant la présence de nombreuses sous-bandes à l'énergie de Fermi. Les oscillations quasi-périodiques de la magnétorésistance sont bien reproduites par des simulations numériques prenant en compte l'effet Rashba à l'interface. De plus, à partir de l'évolution des oscillations SdH avec la tension de grille à très basse température (40mK), nous identifions les sous-bandes électroniques contribuant au transport, les orbitales atomiques dont elles dérivent, ainsi que leur localisation spatiale dans la profondeur de l'interface
This thesis is devoted to the study of the magneto-transport properties of two dimensional electron gas (2DEG), and more specifically graphene on silicon carbide (G/SiC) as well as the interface between two complex oxides LaAlO3 / SrTiO3 (LAO/STO). We take advantage of very high magnetic field (up to 80 T) and very low temperature (down to 40 mK) to investigate the quantum transport properties, which are evocative of the underlying electronic band-structure. In G/SiC, close to the quantum Hall breakdown regime, we measure an ultra-broad quantum Hall plateau at R=h/2e² covering a magnetic field range of more than 70 T (from 7 T to 80 T). Accordingly, the longitudinal resistance is close to zero, but displays unexpected weak 1/B-periodic oscillations. Based on microscopic observations, this 2DEG is modeled as a low charge carrier density graphene matrix decorated by micrometers-size puddles with larger doping. Numerical simulations of the transport properties reproduce well both the broad Quantum Hall plateau and the presence of the oscillations. Besides the SiC substrate which acts as a charge reservoir and stabilizes the quantum Hall state at filling factor ν=2, a magnetic field dependent transfer of charges involving the puddles is responsible for the presence of the oscillating features. This original study provides new insights for resistance metrology purposes. The 2DEG arising at the interface between the complex oxides LAO and STO is nowadays envisioned for future multi-functional devices. Their electronic properties are still a matter of debate and require further investigations. The high field magneto-resistance of this 2DEG displays quasi-periodic Shubnikov-de Haas Oscillations (SdHO) and a linear Hall effect up to 55 T at low temperature. We observe a large discrepancy between the carrier density extracted from the period of the SdHO and the slope of the Hall resistance, which constitutes a strong evidence for the presence of many sub-bands crossing the Fermi energy. The quasi-periodic oscillations of the magneto-resistance are well reproduced by numerical simulations taking into account the strong Rashba effect at the interface. In addition, from the back-gate voltage evolution of the SdHO at sub-kelvin temperature, we identify the electronic sub-bands contributing to transport, the orbital symmetry from which they derive, as well as their spatial localization along the interface

Nous avons considéré trois expériences mettant en jeu des interfaces déformées. Nous étudions d'abord une colonne liquide oscillant sous l'effet de la gravité. Outre le comportement original de cet oscillateur ouvert, la géométrie de l'écoulement induit une perte de charge singulière dont nous proposons une expression. Puis nous considérons l'impact de gouttes dans un trou ou sur une fibre (motifs élémentaires d'une grille) et caractérisons la vitesse de capture des gouttes en fonction des dimensions des motifs. En complément, nous décrivons l'évolution d'une goutte posée sur une fibre conique. Enfin, nous nous intéressons à l'impact d'un jet de liquide sur un bain de même nature. Nous mesurons le rayon de courbure de l'interface air-liquide à l'endroit de l'impact et montrons qu'il décroît exponentiellement avec la vitesse. À grande vitesse, l'interface ne peut supporter ce degré de confinement élevé et une fine lame d'air, dont nous mesurons l'épaisseur, est entraînée dans le bain.

Extracellular neuroelectronic interfacing has important applications in the fields of neural prosthetics, biological computation and whole-cell biosensing for drug screening and toxin detection. While the field of neuroelectronic interfacing holds great promise, the recording of high-fidelity signals from extracellular devices has long suffered from the problem of low signal-to-noise ratios and changes in signal shapes due to the presence of highly dispersive dielectric medium in the neuron-microelectrode cleft. This has made it difficult to correlate the extracellularly recorded signals with the intracellular signals recorded using conventional patch-clamp electrophysiology. For bringing about an improvement in the signal-to-noise ratio of the signals recorded on the extracellular microelectrodes and to explore strategies for engineering the neuron-electrode interface there exists a need to model, simulate and characterize the cell-sensor interface to better understand the mechanism of signal transduction across the interface. Efforts to date for modeling the neuron-electrode interface have primarily focused on the use of point or area contact linear equivalent circuit models for a description of the interface with an assumption of passive linearity for the dynamics of the interfacial medium in the cell-electrode cleft. In this dissertation, results are presented from a nonlinear dynamic characterization of the neuroelectronic junction based on Volterra-Wiener modeling which showed that the process of signal transduction at the interface may have nonlinear contributions from the interfacial medium. An optimization based study of linear equivalent circuit models for representing signals recorded at the neuron-electrode interface subsequently proved conclusively that the process of signal transduction across the interface is indeed nonlinear. Following this a theoretical framework for the extraction of the complex nonlinear material parameters of the interfacial medium like the dielectric permittivity, conductivity and diffusivity tensors based on dynamic nonlinear Volterra-Wiener modeling was developed. Within this framework, the use of Gaussian bandlimited white noise for nonlinear impedance spectroscopy was shown to offer considerable advantages over the use of sinusoidal inputs for nonlinear harmonic analysis currently employed in impedance characterization of nonlinear electrochemical systems. Signal transduction at the neuron-microelectrode interface is mediated by the interfacial medium confined to a thin cleft with thickness on the scale of 20-110 nm giving rise to Knudsen numbers (ratio of mean free path to characteristic system length) in the range of 0.015 and 0.003 for ionic electrodiffusion. At these Knudsen numbers, the continuum assumptions made in the use of Poisson-Nernst-Planck system of equations for modeling ionic electrodiffusion are not valid. Therefore, a lattice Boltzmann method (LBM) based multiphysics solver suitable for modeling ionic electrodiffusion at the mesoscale neuron-microelectrode interface was developed. Additionally, a molecular speed dependent relaxation time was proposed for use in the lattice Boltzmann equation. Such a relaxation time holds promise for enhancing the numerical stability of lattice Boltzmann algorithms as it helped recover a physically correct description of microscopic phenomena related to particle collisions governed by their local density on the lattice. Next, using this multiphysics solver simulations were carried out for the charge relaxation dynamics of an electrolytic nanocapacitor with the intention of ultimately employing it for a simulation of the capacitive coupling between the neuron and the planar microelectrode on a microelectrode array (MEA). Simulations of the charge relaxation dynamics for a step potential applied at t = 0 to the capacitor electrodes were carried out for varying conditions of electric double layer (EDL) overlap, solvent viscosity, electrode spacing and ratio of cation to anion diffusivity. For a large EDL overlap, an anomalous plasma-like collective behavior of oscillating ions at a frequency much lower than the plasma frequency of the electrolyte was observed and as such it appears to be purely an effect of nanoscale confinement. Results from these simulations are then discussed in the context of the dynamics of the interfacial medium in the neuron-microelectrode cleft. In conclusion, a synergistic approach to engineering the neuron-microelectrode interface is outlined through a use of the nonlinear dynamic modeling, simulation and characterization tools developed as part of this dissertation research.
Ph.D.
Doctorate
Physics
Sciences
Physics

La coalescence intervient dans de nombreuses situations physiques, naturelles ou industrielles, de la microphysique des nuages à la stabilité des émulsions ou l’assèchement des pétroles. Dans toutes ces situations, il est crucial de comprendre les mécanismes physiques en jeu, de manière pouvoir influencer la coalescence, la favoriser ou au contraire l’inhiber, selon les besoins. Dans cette thèse, nous étudions la coalescence dans l’air entre deux gouttes attachées et décomposons le processus global en quatre étapes : l’approche avec drainage du film d’air entre les gouttes, le perçage des interfaces, l’ouverture du pont résultant de ce perçage, les oscillations amorties conduisant à l’équilibre de la goutte résultante. Les théories décrivant les étapes 1, 2 et 4 font intervenir des modèles hydrodynamiques continus, se plaçant à une échelle macroscopique. Cependant, à l’articulation entre les deux premières étapes, intervient le perçage des interfaces, processus gouverné par des forces dont la portée correspond à une échelle de quelques dizaines de nanomètres. Une des difficultés les plus importantes dans l’étude de la coalescence est celle de l’intégration des processus ayant lieu à un niveau moléculaire, dans une théorie du continuum dont l’échelle caractéristique est bien supérieure. L’objectif est de faire le lien entre les différentes échelles : y a-t-il des interactions entre les processus se produisant à ces différentes échelles ? Pour répondre à cette question, nous développons trois axes de travail, engageant chacun une échelle caractéristique. L’un est l’étude, au niveau macroscopique du micromètre, de l’ouverture du pont liquide. Grâce à une caméra rapide, plusieurs régimes d’écoulement sont mis en évidence. Les modèles théoriques existants concernent essentiellement le régime visqueux, et aucun modèle complet ne décrit le régime purement inertiel. Nous explorons expérimentalement ce régime et décrivons la forme et la longueur du pont, à l’aide d’ondes capillaires. Nous mettons en évidence l’existence de deux lignes de très forte courbure, que nous appelons singularités, qui naissent sur le lieu de perçage des interfaces et se propagent presque sans déformation de part et d’autre. Ces singularités, conditionnées par la tension superficielle, moteur de la coalescence, façonnent la forme du pont liquide et donc l’écoulement dans ce dernier. Nous proposons un modèle simple d’écoulement inertiel, basé sur la forme du pont liée à ces singularités. Ce modèle permet de mieux comprendre les rôles des forces hydrodynamiques et de la courbure dans l’évolution temporelle de la largeur du pont. Un autre axe est une étude expérimentale par Microscope à Force Atomique, qui permet de décrire les forces responsables de la coalescence à l’échelle nanométrique, les déformations des gouttes intervenant à cette échelle et leur rôle dans la rupture des interfaces. Les mesures de forces entre goutte et flaque, puis entre deux gouttes sont effectuées avec un AFM principalement en mode dynamique de Modulation de Fréquence. Elles permettent de mettre en évidence une distance seuil de déclenchement de l’instabilité hydrodynamique responsable de la coalescence et de mesurer cette distance en fonction des propriétés physiques du liquide et du rayon des gouttes. Un diagramme de coalescence est proposé, qui permet de prévoir la valeur de la distance de déclenchement de la coalescence et le rôle des déformations d’interfaces à l’échelle nanométrique. Enfin, les oscillations du pont liquide, générées par la coalescence, sont étudiées, les modes et fréquences propres sont calculés numériquement par la méthode des éléments finis, puis comparés aux valeurs expérimentales mesurées à partir des films acquis par caméra rapide.

La capacité des cellules à générer spontanément de l'ordre a l’échelle supra cellulaire repose sur l'interaction de signaux mécaniques et biochimiques. Si le consensus général est que la signalisation chimique est le régulateur principal du comportement cellulaire, il est aujourd’hui bien établi que l'impact des facteurs mécaniques est primordial sur des processus fondamentaux de la physiologie cellulaire tel que la différenciation, la prolifération, la motilité et qu’une dérégulation des paramètres mécaniques du microenvironnement des cellules sont impliqués dans un grand nombre de pathologies allant du cancer aux myopathies. Dans ce contexte, plusieurs études ont récemment mis en évidence l'existence d’ondes mécaniques se propageant à l’échelle supra-cellulaire.Nous étudions dans le cadre de cette thèse l'origine de ces ondes de vitesse dans les tissus et discutons leur origine biologique. En pratique, nous confinons des monocouches de cellules épithéliales à des géométries quasi unidimensionnelles, pour forcer l'établissement presque omniprésent d'ondes au niveau tissulaire. En accordant la longueur des tissus, nous découvrons l'existence d'une transition de phase entre les oscillations globales et multi-nodales, et prouvons que dans ce dernier régime, longueur d'onde et période sont indépendantes de la longueur de confinement. Ces résultats démontrent que l’origine de ces oscillations est intrinsèque au système biologique, ce mécanisme apparait comme un candidat pertinent permettant aux cellules de mesurer avec précision des distances au niveau supra-cellulaire et potentiellement de structurer spatialement un tissu. Des simulations numériques basées sur un modèle de type Self-propelled Voronoi reproduisent la transition de phase que nous avons observé expérimentalement et aident à guider nos recherches sur l'origine de ces phénomènes ondulatoires et leur rôle potentiel dans l'apparition spontanée des follicules pileux dans les explants cutanés des souris
The ability of organisms to spontaneously generate order relies on the intricate interplay of mechanical and bio-chemical signals. If the general consensus is that chemical signaling governs the behavior of cells, an increasing amount of evidence points towards the impact of mechanical factors into differentiation, proliferation, motility and cancer progression. In this context, several studies recently highlighted the existence of long-range mechanical excitations (i.e. waves) at the supra-cellular level.Here, we investigate the origins of those velocity waves in tissues and their correlation with the presence of boundaries. Practically, we confine epithelial cell mono-layers to quasi-one dimensional geometries, to force the almost ubiquitous establishment of tissue-level waves. By tuning the length of the tissues, we uncover the existence of a phase transition between global and multi-nodal oscillations, and prove that in the latter regime, wavelength and period are independent of the confinement length. Together, these results demonstrate the intrinsic origin of tissue oscillations, which could provide cells with a mechanism to accurately measure distances at the supra-cellular level and ultimately lead to spatial patterning. Numerical simulations based on a Self-propelled Voronoi model reproduce the phase transition we measured experimentally and help in guiding our preliminary investigations on the origin of these wave-like phenomena, and their potential role for the spontaneous appearance of hair follicles in mouse skin explants

Dans la premiere partie du manuscrit, une methode de mesure des coefficients visco-elastiques des interfaces liquide/gaz et liquide/liquide a tres basse frequence est decrite. Elle consiste a observer la propagation d'ondes longitudinales a l'interface consideree. Ces ondes sont excitees par le mouvement oscillatoire d'une barriere de compression. Elles sont detectees d'apres la modulation de tension interfaciale qu'elles creent. La seconde partie concerne l'application de ce type de mesures a trois systemes: la surface libre de l'eau chargee d'un film d'acide myristique, l'interface eau/solution d'acide myristique dans de l'octane et l'interface solution aqueuse de sulfate de dodecyle et de sodium. La comparaison des resultats obtenus sur le premier a des mesures faites a hautes frequences fait apparaitre l'existence de relaxations au sein du film. La confrontation des mesures faites sur les deux autres au modele theorique de lucassen conduit a un grand desaccord semblant montrer que la diffusion ne suffit pas a rendre compte de la formation des films

Near the sample edge, or a sharp magnetic field step the drift of two-dimensional (2D) electrons in a magnetic field has th'e form of skipping/snake orbits. We show that families of skipping/snake orbits of electrons injected at one point inside a 2D metal generically exhibit caustics folds, cusps and cusp triplets, and, in one exceptional case, and extreme section of the butterfly bifurcation. Periodic appearance of singularities along the ±B-interface leads to the magneto-oscillations of non local conductance in multi-terminal electronic devices. We move onto propose a semi-classical theory that predicts two types .~ of oscillations in the flow of current injected from a point source near a ballistic p-n junction in graphene in a strong magnetic field. One originates from the classical effect of bunching of cyclotron orbits of electrons passing back and forth across the p-n interface, which displays a pronounced dependence on the commensurability between the cyclotron radii in the n- and p-regions. The other effect is caused by the interference of monochromatic electron waves in p-n junctions with equal carrier densities on the two sides and it consists in magneto-oscillations in the current transmission through the interface with periodicity similar to the Shubnikov-de Haas oscillations.

Adsorption layers of soluble surfactants enable and govern a variety of phenomena in surface and colloidal sciences, such as foams. The ability of a surfactant solution to form wet foam lamellae is governed by the surface dilatational rheology. Only systems having a non-vanishing imaginary part in their surface dilatational modulus, E, are able to form wet foams. The aim of this thesis is to illuminate the dissipative processes that give rise to the imaginary part of the modulus.

There are two controversial models discussed in the literature. The reorientation model assumes that the surfactants adsorb in two distinct states, differing in their orientation. This model is able to describe the frequency dependence of the modulus E. However, it assumes reorientation dynamics in the millisecond time regime. In order to assess this model, we designed a SHG pump-probe experiment that addresses the orientation dynamics. Results obtained reveal that the orientation dynamics occur in the picosecond time regime, being in strong contradiction with the two states model.

The second model regards the interface as an interphase. The adsorption layer consists of a topmost monolayer and an adjacent sublayer. The dissipative process is due to the molecular exchange between both layers. The assessment of this model required the design of an experiment that discriminates between the surface compositional term and the sublayer contribution. Such an experiment has been successfully designed and results on elastic and viscoelastic surfactant provided evidence for the correctness of the model.

Because of its inherent surface specificity, surface SHG is a powerful analytical tool that can be used to gain information on molecular dynamics and reorganization of soluble surfactants. They are central elements of both experiments. However, they impose several structural elements of the model system. During the course of this thesis, a proper model system has been identified and characterized. The combination of several linear and nonlinear optical techniques, allowed for a detailed picture of the interfacial architecture of these surfactants.
Amphiphile vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente in einem Molekül, eine hydrophile Kopfgruppe und ein hydrophobe, meist aliphatische Kette. Aufgrund der molekularen Asymmetrie erfolgt eine spontane Adsorption an der Wasser-Luft Grenzfläche. Die Adsorptionsschicht verändert die makroskopischen Eigenschaften des Materials, z.B. die Grenzflächenspannung wird erniedrigt. Amphiphile sind zentrale Bauelemente der Kolloid- und Grenzflächenforschung, die Phänomene, wie Schäume ermöglichen.

Eine Schaumlamelle besteht aus einem dünnen Wasserfilm, der durch zwei Adsorptionsschichten stabilisiert wird. Die Stabilität der Lamelle wird durch die Grenzflächenrheologie entscheidend geprägt. Die wesentliche makroskopische Größe in diesem Zusammenhang ist das so genannte Grenzflächendilatationsmodul E. Es beschreibt die Fähigkeit des Systems die Gleichgewichtsgrenzflächenspannung nach einer Expansion oder Dilatation der Adsorptionschicht wieder herzustellen. Das Modul E ist eine komplexe Größe, in dem der Imaginärteil direkt mit der Schaumstabilität korreliert.

Diese Arbeit widmet sich der Grenzflächenrheologie. In der Literatur werden zwei kontroverse Modelle zur Interpretation dieser Größe diskutiert. Diese Modelle werden experimentell in dieser Arbeit überprüft. Dies erfordert die Entwicklung neuer experimenteller Aufbauten basierend auf nichtlinearen, optischen Techniken. Mit diesen Experimenten konnte eines der Modelle bestätigt werden.

This PhD thesis is focused on the role of interfaces that characterize microfluidic systems, such as the free air/liquid interface of drops or the liquid/solid interface of fluids enclosed in microchannels. This work has a twofold character: on one side, we studied the dynamics of sessile drops subject to oscillations of the substrate; on the other, we investigated the spatial concentration distribution of suspensions of motile bacteria, as a model system for active collids, tuned by geometrical confinement. Dynamics of sessile drops. The first topic is related to the field of wetting phenomena and open microfluidics, which deals with the behaviour of drops, typically in the nano-/microliter range, deposited on open surfaces. At such length scale, these systems are dominated by capillarity and may give rise to unexpected effects, not commonly observed at the larger scale we are used to. Our studies aim to the achievement of an active control on the motion and shape of drops by means of vibration of the substrates, for chemical or biological applications. In particular, the motion of liquid drops on an inclined substrate subject to vertical harmonic oscillations have been considered. Typically, small droplets on inclined surfaces remain pinned because of contact angle hysteresis. When vertical oscillations are applied the droplets unpin and slide down. Surprisingly, for sufficiently large oscillation amplitude the droplets move upward against gravity. The systematical investigation of the response of drops on varying peak acceleration and frequency of oscillations, for fluids with different surface tensions and viscosity, allowed the control of the unidimensional motion along the substrate. Then, we have studied the interfacial morphologies of water drops confined on the hydrophilic top face of rectangular posts of width 0.5 mm and various length. For small volumes, the liquid film adopts the shape of a homogeneous filament with a uniform cross section close to a circular segment. For larger volumes, the water interface forms a central bulge, which grows with the volume. In the case of posts longer than a characteristic length, the transition between the two film shapes on varying the volume is discontinuous and exhibits the bistability of the two morphologic states associated with a hysteresis phenomenon. Vertically oscillating the post, with fixed water volume corresponding to the bistability, at certain frequencies induces an irreversible transition from the filament to the bulge state. Self-propelled particles under geometrical confinement. The second topic deals with the behaviour of active fluids, i.e. self-propelled colloid suspensions which are intrinsically out of equilibrium systems (Active Matter). In particular, in the presence of geometrical structures, such systems behave in a very different way with respect to equilibrium Browinan colloids. We have analyzed the role of different swimming patterns on the concentration distribution of bacterial suspensions confined between two flat walls, by considering wild-type E. coli and P. aeruginosa, which perform Run and Tumble and Run and Reverse patterns, respectively. The concentration profiles have been obtained by counting motile bacteria at different distances from the bottom wall. In agreement with previous studies, an accumulation of motile bacteria close to the walls was observed. Different fraction of motile bacteria and different wall separations, ranging from 100 μm to 250 μm, have been tested. The concentration profiles resulted to be independent on the walls separation and on the different kind of motility and to scale with the motile fraction. These results are confirmed by numerical simulations, based on a collection of self-propelled rod-like particles interacting only through steric interactions.
Questa tesi di dottorato prende in esame il ruolo delle interfacce che caratterizzano i sistemi microfluidici, come ad esempio l’interfaccia libera aria/acqua delle gocce o l’interfaccia liquido/solido di fluidi racchiusi in microcanali. Questo lavoro ha un duplice carattere: da una parte, abbiamo studiato la dinamica di gocce sessili soggette ad oscillazioni del substrato; dall’altra, abbiamo investigato come la distribuzione spaziale della concentrazione in sospensioni batteriche, prese come sistema modello per colloidi attivi, venga alterata da un confinamento geometrico. Dinamica di gocce sessili. Il primo argomento rientra nel campo dei fenomeni di bagnabilità e della microfluidica aperta, che tratta il comportamento di gocce, tipicamente nel range dei nano- /microlitri, depositate su superfici aperte. A tali scale di lunghezza, questi sistemi sono dominati dalla capillarità a possono produrre effetti inaspettati che non vengono comunemente osservati alle scale macroscopiche a cui siamo abituati. I nostri studi sono volti al raggiungimento del controllo attivo del moto e della forma delle gocce per mezzo di vibrazioni del substrato, con applicazioni dalla Chimica alla Biologia. In particolare, è stato considerato il moto di gocce su in substrato inclinato sottoposto ad oscillazioni armoniche verticali. Normalmente, su superfici inclinate le goccioline rimangono ferme a causa dell’isteresi dell’angolo di contatto. Quando vengono applicate oscillazioni verticali le goccioline si sbloccano e scivolano giù. Sorprendentemente, per ampiezze di oscillazioni sufficientemente grandi le goccioline si muovono verso l’atro contro la forza di gravità. Un’analisi della risposta delle gocce al variare dell’accelerazione di picco e della frequenza di oscillazione, prendendo in esame fluidi con diverse tensioni superficiali e viscosità, ha permesso il controllo del moto unidimensionale lungo il pianoinclinato. Inoltre, abbiamo studiato le morfologie interfacciali di gocce d’acqua confinate sulla faccia superiore idrofilica di post rettangolari con larghezza 0.5 mm e varie lunghezze. Per piccoli volumi, il film liquido prende la forma di un filamento omogeneo con una cross-section uniforme simile ad un segmento circolare. Per volumi più grandi, l’interfaccia acqua/aria forma un rigonfiamento centrale, che cresce con il volume. Nel caso di post più lunghi di una lunghezza caratteristica, la transizione tra le due forme al variare del volume discontinua e mostra la bistabilità dei due stati morfologici associata ad un fenomeno di isteresi. Applicando al post, con volume d’acqua fissato corrispondente alla bistabilità, vibrazioni verticali con determinate frequenze si più indurre una transizione irreversibile dallo stato di filamento omogeneo a quello rigonfiato. Particelle auto-propulse sotto confinamento geometrico. Il secondo argomento riguarda il comportamento di fluidi attivi, cioè sospensioni di colloidi auto-propulsi che costituiscono sistemi intrinsecamente fuori equilibrio (Materia Attiva). In particolare, in presenza di strutture geometriche, tali sistemi si comportano in modo molto differente rispetto a colloidi Browniani all’equilibrio. Abbiamo analizzato il ruolo di diversi schemi di motilità sulla distribuzione di concentrazione di sospensioni batteriche confinate tra due pareti solide. considerando E. coli a P. aeruginosa wild-type, che si muovono secondo gli schemi Run and Tumble e Run and Reverse, rispettivamente. I profili di concentrazione sono tati ottenuti contando i batteri motili a diverse distanze dalle pareti. In accordo con studi precedenti, si osservato un accumulo di batteri motili in prossimit delle pareti. Sono state testate diverse frazioni di batteri motili e diverse distanze di separazione tra le pareti, nel range tra 100μm e 250 μm. I profili di concentrazione risultano indipendenti dalla distanza tra le pareti e dai differenti schemi di motilità e scalano con la frazione di batteri motili. Questi risultati sono confermati da simulazioni numeriche, basate su una collezione di particelle allungate auto-propulse che interagiscono solo tramite interazioni steriche.

Les écosystèmes marins côtiers sont constament soumis à des pollutions, notamment aux hydrocarbures, du fait de leur localisation et de leurs caractéristiques environnementales. Le rôle clé des microorganismes dans la dégradation de ces polluants est aujourd’hui très bien décrit. Toutefois, les conditions d’oxygénation fluctuantes dans ces environnements côtiers, dues aux marées et aux activités de bioturbation de la macrofaune, influencent les communautés microbiennes.Ainsi, ce travail de thèse a eu pour objectif de caractériser, l’assemblage de communautés microbiennes hydrocarbonoclastes de sédiments marins côtiers soumises à des oscillations oxie/anoxie en présence de pétrole lors d’une expérience en bioréacteurs. L’adaptation des bactéries marines hydrocarbonoclastes notamment des genres Alcanivorax et Cycloclasticus vis-à-vis de ces variations d’oxygène a pu être investiguée par oligotypage. Des écotypes ont été identifiés en fonction des conditions d’oxygénation démontrant ainsi les capacités d’adaptation aux conditions oscillantes d’oxygène de ces deux genres. La structure des communautés archéennes (séquençage des transcrits du gène de l’ARNr 16S) n’a pas montré de modification évidente liée aux conditions d’oxygénation démontrant ainsi des capacités d’adaptation et/ou de résistance plus importantes chez ces microorganismes comparées aux communautés bactériennes. Enfin, les analyses métagénomiques ont mis en évidence une réponse fonctionnelle spécifique aux oscillations oxie/anoxie. Ainsi, ces travaux de thèse apportent de nouvelles connaissances sur l’influence des variations d’oxygénation sur les communautés microbiennes et par conséquent sur la dégradation des hydrocarbures au sein des écosystèmes marins côtiers
Coastal marine ecosystems are constantly subject to pollution, particularly hydrocarbons, because of their location and their environmental characteristics. The key role of microorganisms in the degradation of these pollutants is now well described. However, fluctuating oxygenation conditions in these coastal environments, due to tides and macrofauna bioturbation activities influence microbial communities.Thus, this thesis work aimed to characterize the assembly of microbial hydrocarbonoclastic communities of coastal marine sediments subjected to oxic/anoxic oscillations in the presence of oil during a bioreactor experiment. The adaptation of MOHCB, particularly of Alcanivorax and Cycloclasticus genera, to these oxygen variations has been investigated by oligotyping. Ecotypes were identified according to the oxygenation conditions demonstrating adaptation capacities of these two genera to the oscillating oxygen conditions. The structure of archaeal communities (16S rRNA transcript sequencing) did not show any modification related to the oxygenation conditions thus demonstrating greater adaptation and/or resistance capacities in these microorganisms compared to the bacterial communities. Finally, metagenomics analyses revealed a specific functional response to oxic/anoxic oscillations. Thus, this thesis provides new insights into the influence of oxygenation variations on microbial communities and consequently on the degradation of hydrocarbons in coastal marine ecosystems

The main objective in this work was to learn how the instrument, the Interfacial Shear Rheometer (ISR400), worked and to investigate how the rheological properties, storage modulus (elasticity), G' and loss modulus (viscous), G'', changes when the surface pressure at the air-liquid interphase changes. The second objective were to examine the different kind of magnetic needles used in the experiments and to conclude which type of needle is best for its specific field of analysis. It was concluded that the relative heavy needle with mass 70.6 mg and length 50 mm was best for systems where the viscous and elastic components are significantly large, where the inertia of the needle is not dominant. It also worked of using the heavier needle for a system of phospholipids. For the hydroxystearic acid (HSA) experiment that were tested on NaCl sub-phase there was a clear improvement after switching from the heavy needle (mass 41.5 mg; length 51 mm) to the relative lighter needle (mass 6.94 mg; length 34.7 mm). The values for the dynamic modulus therefore had a better agreement with reference literature. A spread layer of class II hydrophobins (HFBII) could be compressed to a surface pressure of 46 mNm-1. The G' and G'' values from the frequency sweep were discarded because the monolayer turned into a very viscous-like liquid, and the oscillating needle, after compression, was kind of stuck in the sub-phase and moved very staggering during a frequency sweep. The needle comparison experiment with silica particles 10 wt% Bindzil CC30 (BCC30), at pH 3.5 was done to see if there was any difference in the sensitivity for the needles at the interface which consisted of a pure 10 mM NaCl solution or a 10 mM NaCl solution with BCC30 added to it. The differences were negligible in terms of surface tension but there was a clear difference between the heavy needle and the light needle, when oscillating at higher frequencies (>≈6 rad/s). With this study, the understanding of ISR400 has increased largely. Several issues have been addressed and the results provide a good basis for further studies within the many areas the instrument can be used for. Despite the project's time limit, and the fact that the instrument was new and untested where the project was carried out, focus areas were prioritized so good results could be achieved within reasonable goals.
Huvudmålet med detta arbete var att lära sig hur instrumentet ytskiktsreometern (ISR400) fungerade och undersöka hur de reologiska egenskaperna, elasticitetsmodulen G' och viskositetsmodulen G'', kommer att förändras när det sker en förändring för yttrycket vid gränsskiktet mellan luft och vätska. Det sekundära målet var att undersöka vilken typ av magnetiska nålar som är bäst att använda för respektive gränsskiktssystem. Av att använda den tyngre nålen med massan 70.6 mg och längden 50 mm kunde man dra slutsatsen att den är bäst att använda för system där de viskösa och elastiska komponenterna är signifikant stora, där nålens tröghet inte är dominant. Den fungerade även att mäta med i ett fosfolipidsystem. I experimentet med 12-hydroxy-stearinsyra (HSA) som utfördes på en subfas av NaCl, syntes en klar förbättring efter att byta från en tyngre nål (massa 41.5 mg; längd 51 mm) till en lättare (massa 6.94 mg; längd 34.7 mm). Värdena för dynamiska modulen stämde därför bättre överens med referenslitteraturen. Det utspridda lagret av klass II hydrophobins (HFBII) kunde komprimeras upp till yttrycket 46 mNm-1. Värdena för G' och G'' förkastades därför att monolagret förvandlades till en väldigt viskösliknande vätska, och den oscillerande nålen, efter kompressionen, satt fast i denna tröga vätska och rörde sig väldigt hackigt och oregelbundet under tiden ett frekvenssvep utfördes. Då en jämförelse av olika typer av nålar genomfördes med kiseldioxidpartiklar (10 % (viktsprocent) Bindzil CC30 med pH 3.5), för att se om det är någon skillnad i känslighet för nålarna vid gränssnittet, som bestod av en ren 10 mM NaCl-lösning eller en 10 mM NaCl-lösning med tillsatt BCC30. Skillnaderna var försumbara gällande ytspänningen, men det var en klar skillnad mellan den tunga nålen och den lätta nålen vid oscillering vid höga frekvenser (>≈6 rad/s). I och med detta arbete så har förståelsen för hur ISR400 fungerar förbättrats mycket sedan starten. Flera frågeställningar har behandlats och resultaten ger en bra grund för fortsatta studier inom de många områden som utrustningen kan användas till. Trots projektets tidsbegränsning, och det faktum att instrumentet var nytt och oprövat på platsen där detta arbete utfördes, så prioriterades fokusområden så att goda resultat kunde uppnås inom rimliga mål.

Les fluorocarbures ont un fort potentiel en médecine. Cependant, et en dépit du fait que certaines formulations employant des fluorocarbures sont utilisées en clinique, il n'existe que relativement peu d'études visant à déterminer les interactions entre un fluorocarbure et une membrane de phospholipides. Notre étude concentre à l'interface fluorocarbure/phospholipide, qui représente d'une part un modèle simplifié du surfactant pulmonaire natif dont le composant majoritaire est la dipalmitoylphosphatiylcholine (DPPC), et d'autre part la paroi de microbulles développées comme nouveaux agents théranostiques.Tout d'abord, nous montrons que les fluorocarbures abaissent considérablement la tension interfaciale d'équilibre d'une série de phospholipides et accélèrent fortement leur adsorption. Nous montrons que des oscillations périodiques appliquées à la bulle induisent une transition du film de DPPC vers un état d'organisation plus dense. L'application d'oscillations périodiques permet aussi à la DPPC d'expulser du film interfacial une protéine, l'albumine, dont la présence est souvent liée aux troubles dus au mauvais fonctionnement du surfactant pulmonaire. L'effet des fluorocarbures, qui accélère considérablement l'expulsion de l'albumine par la DPPC, est également étudié. D'autre part, nous avons obtenu des microbulles exceptionnellement stables grâce à une série homologue de phosphates perfluoroalkylés. Nous avons également réussi à former des microbulles couvertes par des nanoparticules magnétiques, tout en gardant les propriétés échogènes des bulles. De telles microbulles offrent un potentiel comme des agents de contraste bimodaux pour l'IRM et l'échosonographie.

A transferência de gases através da interface ar-água em escoamentos turbulentos é um processo importante para diferentes sistemas ambientais. Para avançar no entendimento dos princípios básicos envolvidos no fenômeno é necessária a utilização de técnicas e aparatos experimentais adequados. Neste estudo, foi realizada simulação numérica e experimentos em tanque de uma e duas grades oscilantes. Para a configuração de duas grades, dados experimentais foram comparados com soluções analíticas, obtendo-se boa concordância. Quatro quantidades foram analisadas: energia cinética turbulenta, taxa de dissipação de energia, viscosidade turbulenta e escala de comprimento. Na configuração de uma grade oscilante, foram realizadas medidas de concentração através da utilização de micro sonda de oxigênio. Adicionalmente, foram realizadas medidas concomitantes de velocidade e concentração, próximas à interface, utilizando, respectivamente, as técnicas particle image velocimetry (PIV) e laser induced fluorescence (LIF). O uso combinado das técnicas PIV e LIF permite a obtenção direta do fluxo de massa através da interface ar-água. Os resultados qualitativos e quantitativos devem servir de auxílio para direcionar futuros desenvolvimentos na área.
Gas transfer across the air-water interface in turbulent flows is an important process for many environmental systems. To improve the understanding of the basic principles involved in this phenomenon it is necessary to use suitable apparatus and experimental techniques. In this study, experiments and numerical simulation were conducted in a tank with one and two oscillating grids. In the two-grids configuration, experimental data were compared with analytical solutions, obtaining good agreement. Four quantities have been evaluated: turbulent kinetic energy, dissipation rate, eddy viscosity, and length scale. In the one-grid configuration, a microprobe has been used for measurements of oxygen concentration. In addition, the velocity and concentration fields near the interface were measured simultaneously using the combined particle image velocimetry (PIV) - laser induced fluorescence (LIF) technique. With the combined PIV-LIF technique, the total mass flux across the air-water interface could be obtained directly. The qualitative and quantitative results should help guide future work at the subject.

L’étude du transfert de masse turbulent aux interfaces gaz-liquide est d’un grand intérêt dans de nombreuses applications environnementales et industrielles. Bien que ce problème soit étudié depuis de nombreuses années, sa compréhension n’est pas encore suffisante pour la création de modèles de transfert de masse réalistes (de type RANS ou LES sous maille), en particulier en présence d’une phase liquide à rhéologie complexe. Ce travail expérimental a pour but l’étude des aspects fondamentaux du transfert de masse turbulent à une interface plane horizontale entre du dioxyde de carbone gazeux et une phase liquide newtonienne ou non, agitée par une turbulence homogène quasi isotrope. Les milieux liquides non newtoniens étudiés sont des solutions aqueuses d’un polymère dilué à des concentrations variables et aux propriétés viscoélastiques et rhéofluidifiantes. Deux méthodes de mesure optiques permettant l’obtention du champ de vitesse de la phase liquide (SPIV) et de concentration du gaz dissout (I-PLIF) sont couplées tout en maintenant une haute résolution spatiale, afin de déduire les statistiques de vitesse et de concentration couplées dans les premiers millimètres sous la surface. Une nouvelle version de I-PLIF est développée pour les mesures en proche surface. Elle peut également s’appliquer dans différentes études de transfert de masse. La turbulence de fond est générée par un dispositif de grille oscillante. Les mécanismes de production et les caractéristiques de la turbulence sont étudiés. L’importance de la composante oscillante de la turbulence est discutée, et un phénomène d’amplification de l’écoulement moyen est mis en évidence. Les mécanismes du transfert de masse turbulent à l’interface sont finalement observés pour l’eau et une solution de polymère dilué à faible concentration. L’analyse conditionnelle des flux de masse turbulent permet de mettre en évidence les évènements contribuant au transfert de masse et de discuter de leur impact relatif sur le transfert total
The study of turbulence induced mass transfer at the interface between a gas and a liquid is of great interest in many environmental phenomena and industrial processes. Even though this issue has already been studied for several decades, its understanding is still not good enough to create realistic models (RANS or sub-grid LES), especially when considering a liquid phase with a complex rheology. This experimental work aims at studying fundamental aspects of turbulent mass transfer at a flat interface between carbon dioxide and a Newtonian or non-Newtonian liquid, stirred by homogeneous and quasi isotropic turbulence. Non-Newtonian fluids studied are aqueous solutions of a model polymer, Xanthan gum (XG), at various concentrations, showing viscoelastic and shear-thinning properties. Optical techniques for the acquisition of the liquid phase velocity field (Stereoscopic Particle Image Velocimetry, SPIV) and dissolved gas concentration field (Inhibited Planar Laser Induced Fluorescence, I-PLIF) are for the first time coupled, keeping a high spatial resolution, to access velocity and concentration statistics in the first few millimetres under the interface. A new version of I-PLIF is developed. It is designed to be more efficient for near surface measurements, but its use can be generalized to other single or multiphase mass transfer situations. Bottom shear turbulence in the liquid phase is generated by an oscillating grid apparatus. The mechanisms of turbulence production and the characteristics of oscillating grid turbulence (OGT) are studied. The importance of the oscillatory component of turbulence is discussed. A mean flow enhancement effect upon polymer addition is evidenced. The mechanisms of turbulent mass transfer at a flat interface are finally observed in water and low concentration polymer solutions. A conditional analysis of turbulent mass fluxes allows to distinguish the type of events contributing to mass transfer and discuss their respective impact in water and polymer solutions

Ce travail de these presente une etude basee essentiellement sur l'analyse par les oscillations de rheed de la croissance par ejm de gasb, alsb et gaas et sur la caracterisation des surfaces et interfaces elaborees avec ces materiaux. La premiere partie est consacree a l'optimisation de la preparation chimique des substrats en vue de l'epitaxie, ainsi qu'a l'amelioration du controle et du suivi des parametres de la croissance (principalement la temperature du substrat). La deuxieme phase porte sur l'etude de la croissance de gasb, alsb et gaas au moyen des oscillations de rheed; elle permet de mieux definir les conditions de croissance de ces materiaux. Dans la derniere partie, on etudie l'interface a fort desaccord parametrique gasb/gaas et presente quelques resultats sur les surfaces et interfaces elaborees a partir de gasb, alsb et gaas

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Dissertacao (Mestrado)
IPEN/D
Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

This thesis reports the development of advanced readout and control electronics for MEMS gyroscopes developed at METU. These gyroscope electronics are separated into three main groups: high sensitive interface circuits, drive mode amplitude controlled self oscillation loops, and sense mode phase sensitive amplitude demodulators. The proposed circuits are first implemented with discrete components, and then integrated on CMOS chips. A self oscillation loop enabling constant amplitude drive mode vibrations independent of sensor parameters and ambient conditions is developed. A fully functional angular rate system, which is constructed by employing this advanced control electronics together with the transresistance amplifier type interfaces and sense mode electronics, is implemented on a dedicated PCB having 5.4x2.4 cm2 area. This system demonstrates an impressive performance far better than the best performance achieved by any angular rate system developed at METU. Bias instability and angle random walk values are measured as 14.3 º
/hr and 0.126 º
/&
#8730
hr, respectively. The scale factor of the system is found as 22.2 mV/(º
/sec) with a nonlinearity of 0.01%, and a zero rate output of 0.1 º
/sec, in ±
50 º
/sec measurement range. CMOS unity gain buffer (UGB) and transimpedance amplifier (TIA) type resistive and capacitive interfaces are characterized through AC, transient, and noise tests. It is observed that on chip biasing mechanisms properly DC-bias the high impedance nodes to 0 V potential. UGB type capacitive interfaces demonstrate superior performance than TIA counterparts due to stability problems associated with TIA interfaces. CMOS differential drive mode control and sense mode demodulation electronics give promising results for the future performance tests.

This thesis reports the development of various high performance readout and control electronics for implementing angular rate sensing systems using MEMS gyroscopes developed at METU. First, three systems with open loop sensing mechanisms are implemented, where each system has a different drive-mode automatic gain controlled (AGC) self-oscillation loop approach, including (i) square wave driving signal with DC off-set named as OLS_SquD, (ii) sinusoidal driving signal with DC off-set named as OLS_SineD, and iii) off-resonance driving signal named as OLS_OffD. A forth system is also constructed with a closed loop sensing mechanism where the drive mode automatic gain controlled (AGC) self-oscillation loop approach with square wave driving signal with DC off-set named as CLS_SquD. Sense and drive mode electronics employ transimpedance and transresistance amplifiers as readout electronics, respectively. Each of the systems is implemented with commercial discrete components on a dedicated PCB. Then, the angular rate sensing systems are tested with SOG (Silicon-on-Glass) gyroscopes that are adjusted to have two different mechanical bandwidths, more specially 100 Hz and 30 Hz. Test results of all of these cases verify the high performance of the systems. For the 100 Hz bandwidth, the OLS_SquD system shows a bias instability of 4.67 &
#730
/hr, an angle random walk (ARW) 0.080 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 22.6 mV/(&
#730
/sec). For the 30 Hz bandwidth, the OLS_SquD system shows a bias instability of 5.12 &
#730
/hr, an ARW better than 0.017 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 49.8 mV/(&
#730
/sec). For the 100 Hz bandwidth, the OLS_SineD system shows a bias instability of 6.92 &
#730
/hr, an ARW of 0.049 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 17.97 mV/(&
#730
/sec). For the 30 Hz bandwidth, the OLS_SineD system shows a bias instability of 4.51 &
#730
/hr, an ARW of 0.030 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 43.24 mV/(&
#730
/sec). For the 100 Hz bandwidth, the OLS_OffD system shows a bias instability of 8.43 &
#730
/hr, an ARW of 0.086 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 20.97 mV/(&
#730
/sec). For the 30 Hz bandwidth, the OLS_OffD system shows a bias instability of 5.72 &
#730
/hr, an ARW of 0.046 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 47.26 mV/(&
#730
/sec). For the 100 Hz bandwidth, the CLS_SquD system shows a bias instability of 6.32 &
#730
/hr, an ARW of 0.055 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 1.79 mV/(&
#730
/sec). For the 30 Hz bandwidth, the CLS_SquD system shows a bias instability of 5.42 &
#730
/hr, an ARW of 0.057 &
#730
/&
#8730
hr, and a scale factor of 1.98 mV/(&
#730
/sec). For the 100 Hz bandwidth, the R2 nonlinearities of the measured scale factors of all systems are between 0.0001% and 0.0003% in the ±
100 &
#730
/sec measurement range, while for the 30 Hz bandwidth the R2 nonlinearities are between 0.0002% and 0.0062% in the ±
80&
#730
/sec measurement range. These performance results are the best results obtained at METU, satisfying the tactical-grade performances, and the measured bias instabilities and ARWs are comparable to the best results in the literature for a silicon micromachined vibratory gyroscope.

Ce memoire presente une etude numerique de l'interaction sol-structure. Le comportement de l'interface sol-structure est modelise par une loi incrementale a dependance directionnelle, ou l'on s'efforce de traduire de facon correcte les fortes variations des contraintes provoquees en particulier par la rupture des grains. Ensuite l'approche numerique du probleme de contact par la methode des elements finis est abordee. Une attention particuliere est accordee aux oscillations des contraintes au niveau des elements d'interface. L'apparition de ces oscillations est liee en particulier au choix de la methode d'integration numerique (newton-coles, gauss). Un algorithme d'integration locale a pas adaptatif, de la loi incrementale d'interface est propose. Le modele incremental est ensuite utilise dans la simulation numerique de l'arrachement des pieux en chambre de calibration, et les resultats concernant le frottement lateral sont confrontes avec ceux donnes par un modele elastoplastique d'interface et par les essais experimentaux

Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiées
The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified

Le couplage entre un écoulement instable et des résonances acoustiques dans des systèmes de conduites peut conduire à des phénomènes d’oscillations auto-induites. Ce type de phénomènes trouve principalement place dans des conduites latérales fermées, par exemple dans des systèmes de transport ou de compression de gaz. L’objectif de ce travail est d’étudier les oscillations auto-induites dans le cas où le fluide transporté ne se limite pas à un gaz, mais est un mélange de gaz et de liquide. Les pulsations sont mesurées dans des conduites latérales fermées, pour deux types de configurations (en tandem et en croix), avec écoulement d’un mélange variable d’air et d’eau. La position de l’injection d’eau est variable afin d’obtenir plusieurs régimes d’écoulement diphasique. Les résultats indiquent que la présence d’eau a un effet important sur les niveaux de pulsations dans les conduites. Cet effet a pu être attribué à deux mécanismes dus à la présence d’eau : les instabilités de couches de mélange sont modifiées et l’amortissement des ondes acoustiques est amplifié.Le deuxième mécanisme a été quantifié à l’aide de mesures sur un montage expérimental dédié conçu pour avoir un écoulement stratifié. On a observé que, dans tous les cas, la présence d’eau augmente l’amortissement. Cette augmentation a pu être attribuée à la réduction de la section effective de la conduite (due au remplissage partiel par l’eau) et à l’augmentation de la friction turbulente à l’interface entre les phases liquide et gazeuse
Coupling between flow instabilities and acoustic resonances in ducts with closed side branches leads to Flow Induced Pulsations (FIPs). This is a typical phenomenon in engineering applications (gas transport systems, compressor installations, and chemical plants). The objective of this work is to extend the knowledge about FIPs when the transported medium is not uniquely gas but a combination of gas and (a small quantity of) liquid. For two configurations of double side branches (in tandem and in quasi-cross), the amplitude of pressure pulsations in the side branches was measured for different liquid injection rates. This was repeated with the liquid injection point located at different places to allow different flow regimes at the pipe connections. The results show a strong effect of the water content on the pulsations. On basis of these results and additional measurements, the following hypotheses for the effect of liquid were made: (1) interaction of the liquid with the flow instability and (2) increase of the acoustical damping in the ducts in presence of liquid.The effect of liquid on damping was measured with a dedicated test setup designed to have a stratified flow. It was found that the liquid always increases the acoustical damping, mainly due to the reduction of the effective cross section by the liquid, and because of the increased turbulent friction at the interface between gas and liquid

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.

碩士
國立聯合大學
化學工程學系碩士班
101
This study investigated the mixed monolayers containing Poly(n-butyl methacrylate) ,Poly(iso-butyl methacrylate) , Poly(sec-butyl methacrylate),Poly(tert-butyl methacrylate) and Polycaprolactone. Temperature and mixing ratio were used as the variables to observe the behavior of the monolayers at air/water interface by measuring surface pressure-area per molecule(π-A) isotherm and barrier oscillation curve. The relationship of temperature,composition and stability of these monolayers were analyzed by thermodynamics. The analysis of π-A isotherm and excess area showed that the difference of the isotherm curve of four isomers is due to the structure of the side chain functional groups. Furthermore, we can know the system deviates from the deal condition. The miscibility of PBMA isomers with PCL was different because of the structure of side chain functional groups. The results of oscillation were different because of material structure and glass transition temperature (Tg). Furthermore, we can know the growth mechanism and physical meaning by exploring the surface dilatational modulus |E^* |_app of the monolayers.

Fluid flow creates an expansive range of acoustic possibilities, particularly in the case of water, which has unique turbulence and vortex shedding properties as compared with the air of ordinary wind instruments. Sound from water flow is explained with reference to a new class of musical instruments, hydraulophones, in which oscillation originates directly from matter in its liquid state. Several hydraulophones which were realized in practical form are described. A unique user-interface consisting of a row of water jets is presented, in terms of its expressiveness, tactility, responsiveness to derivatives and integrals of displacement, and in terms of the direct physical interaction between a user and the physical process of sound production. Signal processing algorithms are introduced, which extract further information from turbulent water flow, for industrial applications as well as musical applications.

Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.