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Exploring fully integrated textile tags and information systems for implementing traceability in textile supply chains
Exploring fully integrated textile tags and information systems for implementing traceability in textile supply chains


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La traçabilité, en général, fait référence à un suivi de l’information jusqu’à un certain point. Le concept de traçabilité est considéré comme un élément essentiel pour vérifier les divers aspects des produits dans différentes industries et leurs chaînes d’approvisionnement mondiales. L’industrie textile est parmi celles que l’on accuse de temps en temps d’un défaut de transparence dans leur chaîne d’approvisionnement et faisant parfois appel à des pratiques insoutenables. C’est plus particulièrement après une série de catastrophes industrielles que les consommateurs et les organisations non-gouvernementales ont commencé à s’intéresser de près aux marques avec le souci que les entreprises apportent plus de transparence à leur chaîne d’approvisionnement. Dans cette logique, la traçabilité a été identifiée comme un outil permettant aux entités de tracer leurs approvisionnements tout au long de la chaîne de transformation et de collecter des informations pertinentes afin d’assurer la transparence et de répondre dans la mesure du possible, aux attentes. La traçabilité a été reconnue comme un avantage compétitif qui agit souvent comme un facteur clé dans la décision d’achat. De plus, les produits textiles font partie des biens les plus contrefaits dans le monde. Par conséquent, le besoin de traçabilité s’est intensifié en ce qui concerne la surveillance et la sécurité de la chaîne d’approvisionnement tout autant que pour l’authentification des produits. L’objectif principal de cette thèse est d’aborder la mise en œuvre des systèmes de traçabilité de l’information dans la chaîne d’approvisionnement textile. En outre, elle interroge la faisabilité d’un traçage basé sur l’intégration de marqueurs de suivi à l’échelle des fils, comme un moyen d’insérer une traçabilité dans les textiles. Cet objectif a été mené à travers plusieurs études indépendantes dans le domaine de la fabrication du textile, de la gestion des chaînes d’approvisionnement et des systèmes d’information. Les documents annexes à cette thèse apportent divers éclairages sur l’intégration d’une traçabilité dans les chaînes d’approvisionnement textiles et sur comment une information traçable peut être codée à l’intérieur de textiles via l’utilisation d’un codage basé sur le fil, échelle intermédiaire entre les fibres et les étoffes. La traçabilité se divise en deux parties, à savoir le système d’information et le marquage. Ce dernier point est utilisé pour identifier de manière unique le produit dans la chaîne d'approvisionnement et aide à rappeler et / ou à stocker les données de traçabilité pertinentes dans le système d'information. Différents acteurs de la chaîne d’approvisionnement gèrent les données de traçabilité dans leurs systèmes d’information, de sorte que le marqueur agisse comme un élément de liaison pour l’échange d’informations. De ce point de vue, cette thèse introduit le concept de codage des fils et de balises intégrées pouvant potentiellement être utilisé dans le futur pour des applications de traçabilité des textiles. De plus, un cadre général est proposé sur l’intégration d’un système d’information sur la traçabilité des textiles dans la chaîne d’approvisionnement. Ce travail souligne différents éléments pouvant jouer un rôle significatif dans la promotion et/ou la mise en œuvre de la traçabilité. La traçabilité lie intimement les aspects techniques et organisationnels. Elle requiert donc une approche technico-managériale pour garantir une solution optimale.
Traceability, in general, refers to keeping track of information to a certain degree. The concept of traceability is considered important to verify the various aspects of products in different industries and their global supply chains. Textile industry is among those which are accused time-to-time for opaque supply chains and unsustainable practices. Particularly, the aftermath of a series of industrial catastrophes, customers and non-government organizations have started to scrutinize the brands to bring transparency in their supply chains. In this direction, traceability has been identified as a tool for organizations to trace their supplies throughout the supply chains and collect relevant information to ensure transparency and claim validation. Traceability has been further acknowledged as a competitive element and often acts as a decisive factor in purchase process. Moreover, the textile products are one of the most counterfeit-prone items around the world. As a result, the demand for traceability has been intensified for supply chain monitoring and security, and product authentication. The principal aim of this thesis was to address the implementation of traceability information systems in the textile supply chain. Further, it investigates the feasibility of yarn-based integrated tracking tags as a means to impart traceability in textiles. It has been pursued through several independent studies in the domain of textile manufacturing, supply chain management and information systems. The appended papers in this thesis address various aspects of traceability implementation in the textile supply chain and how traceability information can be encoded into the textiles using yarn-based coding. Traceability consists of two components namely information system and tagging. The latter component is used to uniquely identify the product in the supply chain which assists in recalling and/or storing the relevant traceability data from/in the information system. Different actors in the supply chain manage the traceability data in their information systems, therefore traceability tag acts as a linking agent for information exchange. In this direction, this thesis introduces the concept of yarn coding and yarn coding-based integrated tags which can be potentially used in future for textile traceability applications. In addition, a framework is proposed for the implementation of traceability information system in the textile supply chain. The work highlights various elements which can play a significant role in promoting and/or implementing traceability. Regardless of perspective or viewpoint, traceability is interwoven between technical and managerial aspects; therefore traceability implementation requires a techno-management approach to obtain an optimal solution.
La traçabilité, en général, fait référence à un suivi de l’information jusqu’à un certain point. Le concept de traçabilité est considéré comme un élément essentiel pour vérifier les divers aspects des produits dans différentes industries et leurs chaînes d’approvisionnement mondiales. L’industrie textile est parmi celles que l’on accuse de temps en temps d’un défaut de transparence dans leur chaîne d’approvisionnement et faisant parfois appel à des pratiques insoutenables. C’est plus particulièrement après une série de catastrophes industrielles que les consommateurs et les organisations non-gouvernementales ont commencé à s’intéresser de près aux marques avec le souci que les entreprises apportent plus de transparence à leur chaîne d’approvisionnement. Dans cette logique, la traçabilité a été identifiée comme un outil permettant aux entités de tracer leurs approvisionnements tout au long de la chaîne de transformation et de collecter des informations pertinentes afin d’assurer la transparence et de répondre dans la mesure du possible, aux attentes. La traçabilité a été reconnue comme un avantage compétitif qui agit souvent comme un facteur clé dans la décision d’achat. De plus, les produits textiles font partie des biens les plus contrefaits dans le monde. Par conséquent, le besoin de traçabilité s’est intensifié en ce qui concerne la surveillance et la sécurité de la chaîne d’approvisionnement tout autant que pour l’authentification des produits. L’objectif principal de cette thèse est d’aborder la mise en œuvre des systèmes de traçabilité de l’information dans la chaîne d’approvisionnement textile. En outre, elle interroge la faisabilité d’un traçage basé sur l’intégration de marqueurs de suivi à l’échelle des fils, comme un moyen d’insérer une traçabilité dans les textiles. Cet objectif a été mené à travers plusieurs études indépendantes dans le domaine de la fabrication du textile, de la gestion des chaînes d’approvisionnement et des systèmes d’information. Les documents annexes à cette thèse apportent divers éclairages sur l’intégration d’une traçabilité dans les chaînes d’approvisionnement textiles et sur comment une information traçable peut être codée à l’intérieur de textiles via l’utilisation d’un codage basé sur le fil, échelle intermédiaire entre les fibres et les étoffes. La traçabilité se divise en deux parties, à savoir le système d’information et le marquage. Ce dernier point est utilisé pour identifier de manière unique le produit dans la chaîne d'approvisionnement et aide à rappeler et / ou à stocker les données de traçabilité pertinentes dans le système d'information. Différents acteurs de la chaîne d’approvisionnement gèrent les données de traçabilité dans leurs systèmes d’information, de sorte que le marqueur agisse comme un élément de liaison pour l’échange d’informations. De ce point de vue, cette thèse introduit le concept de codage des fils et de balises intégrées pouvant potentiellement être utilisé dans le futur pour des applications de traçabilité des textiles. De plus, un cadre général est proposé sur l’intégration d’un système d’information sur la traçabilité des textiles dans la chaîne d’approvisionnement. Ce travail souligne différents éléments pouvant jouer un rôle significatif dans la promotion et/ou la mise en œuvre de la traçabilité. La traçabilité lie intimement les aspects techniques et organisationnels. Elle requiert donc une approche technico-managériale pour garantir une solution optimale.
Traceability, in general, refers to keeping track of information to a certain degree. The concept of traceability is considered important to verify the various aspects of products in different industries and their global supply chains. Textile industry is among those which are accused time-to-time for opaque supply chains and unsustainable practices. Particularly, the aftermath of a series of industrial catastrophes, customers and non-government organizations have started to scrutinize the brands to bring transparency in their supply chains. In this direction, traceability has been identified as a tool for organizations to trace their supplies throughout the supply chains and collect relevant information to ensure transparency and claim validation. Traceability has been further acknowledged as a competitive element and often acts as a decisive factor in purchase process. Moreover, the textile products are one of the most counterfeit-prone items around the world. As a result, the demand for traceability has been intensified for supply chain monitoring and security, and product authentication. The principal aim of this thesis was to address the implementation of traceability information systems in the textile supply chain. Further, it investigates the feasibility of yarn-based integrated tracking tags as a means to impart traceability in textiles. It has been pursued through several independent studies in the domain of textile manufacturing, supply chain management and information systems. The appended papers in this thesis address various aspects of traceability implementation in the textile supply chain and how traceability information can be encoded into the textiles using yarn-based coding. Traceability consists of two components namely information system and tagging. The latter component is used to uniquely identify the product in the supply chain which assists in recalling and/or storing the relevant traceability data from/in the information system. Different actors in the supply chain manage the traceability data in their information systems, therefore traceability tag acts as a linking agent for information exchange. In this direction, this thesis introduces the concept of yarn coding and yarn coding-based integrated tags which can be potentially used in future for textile traceability applications. In addition, a framework is proposed for the implementation of traceability information system in the textile supply chain. The work highlights various elements which can play a significant role in promoting and/or implementing traceability. Regardless of perspective or viewpoint, traceability is interwoven between technical and managerial aspects; therefore traceability implementation requires a techno-management approach to obtain an optimal solution.
22-12-2017
22-12-2017
Thèse
Thèse
La recherche présentée dans cette thèse comporte l’évaluation des impacts environnementaux en utilisant l’outil d’analyse du cycle de vie (ACV) pour la conception du traitement d’un tissu de polyester (PET) multifonctionnel avec des anthraquinones naturelles. La méthodologie d’éco conception que nous avons appliquée ouvre la voie à une bio-fonctionnalisation des textiles plus respectueuse de l’environnement. Les anthraquinones ont été obtenues par extraction des racines de plantes de garance et constituent le colorant appelé garance. Les trois questions principales abordées lors de ce travail de recherche sont formulées autour de l’utilisation de la garance : (I) Peut-on traiter les tissus de PET avec de la garance pour obtenir des propriétés multifonctionnelles ? (II) Quel est le profil environnemental du procédé de teinture du PET par la garance et comment l’améliorer ? (III) Quels sont les principaux challenges pour l’utilisation de l’ACV dans l’évaluation environnementale du traitement des textiles par des colorants naturels? Nous avons montré que la garance peut être utilisée pour conférer des propriétés multifonctionnelles au PET par des procédés de fonctionnalisation par épuisement ou par foulardage. En s’appuyant sur l’ACV, l’optimisation de la teinture que nous avons réalisée réduit tous les impacts sur l’environnement et la qualité des fonctionnalités. Cette étude nous permet d’identifier les challenges qui doivent être surmontés pour que l’ACV puisse contribuer à l’utilisation de bio-molécules pour la teinture des textiles dans le respect des principes de développement durable.
The research presented in this thesis has included environmental impact assessment, using the life cycle assessment (LCA) tool, in the design process of a multifunctional polyester (PET) fabric using natural anthraquinones. By doing so an eco-design approach has been applied, with the intention to pave the way towards eco-sustainable bio-functionalization of textiles. The anthraquinones were obtained from the root extracts of the madder plant (Rubia tinctorum L), referred to as madder dye. The three research questions were therefore formulated related to the use of madder dye: (I) Can madder dye serve as a multifunctional species onto a PET woven fabric? (II) How does the environmental profile of the dyeing process of PET with madder dye look like, and how can it be improved? (III) What are the main challenges in using LCA to assess the environmental impacts of textile dyeing with plant-based dyes ? It is concluded that there is a potential for the madder dye to serve as a multifunctional species onto PET. Based on this result, a recommendation for future work would be to focus on the durability of the functionalities presented and their improvement potential, both in exhaustion dyeing and pad-dyeing. LCA driven process optimization of the exhaustion dyeing enabled improvement in every impact category studied. However, several challenges have been identified which need to be overcome for the LCA to contribute to the sustainable use of multifunctional plant-based species in textile dyeing.
La recherche présentée dans cette thèse comporte l’évaluation des impacts environnementaux en utilisant l’outil d’analyse du cycle de vie (ACV) pour la conception du traitement d’un tissu de polyester (PET) multifonctionnel avec des anthraquinones naturelles. La méthodologie d’éco conception que nous avons appliquée ouvre la voie à une bio-fonctionnalisation des textiles plus respectueuse de l’environnement. Les anthraquinones ont été obtenues par extraction des racines de plantes de garance et constituent le colorant appelé garance. Les trois questions principales abordées lors de ce travail de recherche sont formulées autour de l’utilisation de la garance : (I) Peut-on traiter les tissus de PET avec de la garance pour obtenir des propriétés multifonctionnelles ? (II) Quel est le profil environnemental du procédé de teinture du PET par la garance et comment l’améliorer ? (III) Quels sont les principaux challenges pour l’utilisation de l’ACV dans l’évaluation environnementale du traitement des textiles par des colorants naturels? Nous avons montré que la garance peut être utilisée pour conférer des propriétés multifonctionnelles au PET par des procédés de fonctionnalisation par épuisement ou par foulardage. En s’appuyant sur l’ACV, l’optimisation de la teinture que nous avons réalisée réduit tous les impacts sur l’environnement et la qualité des fonctionnalités. Cette étude nous permet d’identifier les challenges qui doivent être surmontés pour que l’ACV puisse contribuer à l’utilisation de bio-molécules pour la teinture des textiles dans le respect des principes de développement durable.
The research presented in this thesis has included environmental impact assessment, using the life cycle assessment (LCA) tool, in the design process of a multifunctional polyester (PET) fabric using natural anthraquinones. By doing so an eco-design approach has been applied, with the intention to pave the way towards eco-sustainable bio-functionalization of textiles. The anthraquinones were obtained from the root extracts of the madder plant (Rubia tinctorum L), referred to as madder dye. The three research questions were therefore formulated related to the use of madder dye: (I) Can madder dye serve as a multifunctional species onto a PET woven fabric? (II) How does the environmental profile of the dyeing process of PET with madder dye look like, and how can it be improved? (III) What are the main challenges in using LCA to assess the environmental impacts of textile dyeing with plant-based dyes ? It is concluded that there is a potential for the madder dye to serve as a multifunctional species onto PET. Based on this result, a recommendation for future work would be to focus on the durability of the functionalities presented and their improvement potential, both in exhaustion dyeing and pad-dyeing. LCA driven process optimization of the exhaustion dyeing enabled improvement in every impact category studied. However, several challenges have been identified which need to be overcome for the LCA to contribute to the sustainable use of multifunctional plant-based species in textile dyeing.
22-12-2017
22-12-2017
Thèse
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Commandes par inversion d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs
Commandes par inversion d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs


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Le développement de la commande d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs doit prendre en compte les contraintes liées à l’association de ses composants. La commande par inversion apporte une solution. Elle utilise une approche systémique et cognitive afin d’identifier la cause qui produit l’effet désiré et inverse les modèles des éléments associés pour obtenir une structure de commande. Ainsi, les commandes déduites de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) et du Backstepping font partie de la catégorie des commandes par inversion. Le Backstepping déduit une commande stable de la plupart des systèmes non-linéaires. Cependant, il ne permet pas de gérer de façon claire et efficace les couplages énergétiques. Il est alors possible de décomposer physiquement le système suivant les règles de la REM. La REM permet également de séparer explicitement la commande et la stratégie de gestion de l’énergie. Dans cette thèse en cotutelle franco-québécoise, les caractéristiques des deux commandes ont été soulignées. Les deux méthodes apparaissent alors complémentaires. L’intégration du Backstepping apporte à la REM l’assurance d’une stabilité intrinsèque. Les principes de la REM, quant à eux, permettent au Backstepping de gérer les couplages énergétiques. Le développement d’une commande par inversion stable d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs est donc proposé par la combinaison de ces deux méthodes de commande, suivant une procédure d’inversion combinée. La répartition des puissances du véhicule est ainsi réalisée en temps réel, sur dispositif expérimental, suivant une stratégie de filtrage et la commande stable par inversion combinée développée.
The development of the control of a fuel cell/supercapacitor vehicle must take into account the constraints related to the associations of its components. Inversion based control can solve this problems. This use a systemic and cognitive approach to find the cause which produce the desired effect and inverse the associated component models to obtain a control structure. In this way, Energetic Macroscopic Representation (EMR) and Backstepping have inversion based control approach. The Backstepping method deduces stable control of most classes of nonlinear systems. However, it don’t effectively and simply manage the energetic couplings. A physical decomposition of the studied system following the EMR rules bring a solution. EMR enables a systematic deduction of control schemes, specifically a clear distinction between the local control and the energy management strategy level. In this franco-quebecer co-tutorial thesis, similarities between the both control methods has been shown. EMR and Backstepping can complement each other. The integration of the Backstepping bring intrinsic stability to the EMR. The Backstepping can manage the energetic couplings thanks to EMR. The development of a fuel cell/supercapacitor vehicle stable inversion based control is then proposed using the combination of the both control methods. Thus, the power distribution is achieve in real time using a filtering strategy and the stable proposed combined inversion based control.
Le développement de la commande d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs doit prendre en compte les contraintes liées à l’association de ses composants. La commande par inversion apporte une solution. Elle utilise une approche systémique et cognitive afin d’identifier la cause qui produit l’effet désiré et inverse les modèles des éléments associés pour obtenir une structure de commande. Ainsi, les commandes déduites de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) et du Backstepping font partie de la catégorie des commandes par inversion. Le Backstepping déduit une commande stable de la plupart des systèmes non-linéaires. Cependant, il ne permet pas de gérer de façon claire et efficace les couplages énergétiques. Il est alors possible de décomposer physiquement le système suivant les règles de la REM. La REM permet également de séparer explicitement la commande et la stratégie de gestion de l’énergie. Dans cette thèse en cotutelle franco-québécoise, les caractéristiques des deux commandes ont été soulignées. Les deux méthodes apparaissent alors complémentaires. L’intégration du Backstepping apporte à la REM l’assurance d’une stabilité intrinsèque. Les principes de la REM, quant à eux, permettent au Backstepping de gérer les couplages énergétiques. Le développement d’une commande par inversion stable d’un véhicule à pile à combustible et supercondensateurs est donc proposé par la combinaison de ces deux méthodes de commande, suivant une procédure d’inversion combinée. La répartition des puissances du véhicule est ainsi réalisée en temps réel, sur dispositif expérimental, suivant une stratégie de filtrage et la commande stable par inversion combinée développée.
The development of the control of a fuel cell/supercapacitor vehicle must take into account the constraints related to the associations of its components. Inversion based control can solve this problems. This use a systemic and cognitive approach to find the cause which produce the desired effect and inverse the associated component models to obtain a control structure. In this way, Energetic Macroscopic Representation (EMR) and Backstepping have inversion based control approach. The Backstepping method deduces stable control of most classes of nonlinear systems. However, it don’t effectively and simply manage the energetic couplings. A physical decomposition of the studied system following the EMR rules bring a solution. EMR enables a systematic deduction of control schemes, specifically a clear distinction between the local control and the energy management strategy level. In this franco-quebecer co-tutorial thesis, similarities between the both control methods has been shown. EMR and Backstepping can complement each other. The integration of the Backstepping bring intrinsic stability to the EMR. The Backstepping can manage the energetic couplings thanks to EMR. The development of a fuel cell/supercapacitor vehicle stable inversion based control is then proposed using the combination of the both control methods. Thus, the power distribution is achieve in real time using a filtering strategy and the stable proposed combined inversion based control.
22-12-2017
22-12-2017
Thèse
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Synthèse de complexes d’actinides à propriétés physico-chimiques contrôlées pour la fabrication de combustibles oxyde
Synthèse de complexes d’actinides à propriétés physico-chimiques contrôlées pour la fabrication de combustibles oxyde


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Dans le cadre des recherches sur le traitement-recyclage des combustibles nucléaires du futur, la conversion oxalique, éprouvée industriellement pour le plutonium (IV), est le procédé de référence envisagé pour la production finale d’oxydes d’actinides. L’optimisation de ce procédé, basé sur une étape de précipitation oxalique suivie de la calcination en oxyde de l’oxalate précipité, nécessite de maîtriser les propriétés des solides formés dès l’étape initiale de précipitation. La morphologie de l’oxalate, conservée après calcination en oxyde, impacte toutes les étapes du procédé. Dans ce contexte, cette étude s’intéresse à la modulation de la morphologie des oxalates d’actinides tétravalents, thorium (IV) et plutonium (IV), grâce à l’ajout d’additifs organiques dans le milieu de précipitation. Les molécules sélectionnées, choisies parmi les composés dits « CHON » possédant des capacités de complexation et/ou de précipitation des actinides, présentent différents impacts sur la structure cristalline des oxalates précipités, la morphologie des particules, leur taille et/ou leur agglomération. L’analyse du solide, combinée aux mesures de solubilité, de cinétiques de nucléation, de croissance et de noyaux d’agglomération, conduit à proposer des mécanismes pour chaque modulation, sur la base desquels les différences entre oxalate de thorium (IV) et oxalate de plutonium (IV) sont discutées. La méthodologie multidisciplinaire développée dans le cadre de ce travail conduit à des propositions de renforcement de l’impact des additifs utiles dans une perspective de transposition à d’autres systèmes chimiques et notamment d’autres oxalates d’actinides ou de mélanges d’actinides.
Considering the treatment and recycling of future nuclear fuels, the oxalic conversion, which is used at an industrial scale for plutonium (IV) reprocessing, is the synthesis route considered as a reference for the future actinides oxides elaboration. In order to improve this process, based on the actinide oxalate precipitation and the calcination of the precipitate into oxide, a control of the solid properties at the precipitation step is necessary. This is particularly due to the impact of the oxalate morphology at all the stages of the process, up to the calcination at which the oxalate morphology is kept. This study deals with morphology modulations of tetravalent actinides oxalates, thorium (IV) and plutonium (IV), by addition of organic compounds in the precipitation medium. Several impacts of selected “CHON” additives were identified. The molecules, chosen among the actinides complexing and precipitating agents, can act on the crystal structure of the precipitates, the particles morphology, their size and/or their agglomeration. Solid-state analyses combined with the measurements of solubility, nucleation rates, crystal growth rates and agglomeration kernels, allow to shed light on the mechanisms underlying the morphology modulations. This work shows some differences between the behavior of thorium (IV) oxalate and plutonium (IV) oxalate systems. Their origins are discussed in the manuscript. The multidisciplinary methodology developed during this work leads to suggest how to re inforce the additives morphological impacts which can be useful in view of a transposition to other chemical systems, especially other actinides or mixed actinides oxalates.
Dans le cadre des recherches sur le traitement-recyclage des combustibles nucléaires du futur, la conversion oxalique, éprouvée industriellement pour le plutonium (IV), est le procédé de référence envisagé pour la production finale d’oxydes d’actinides. L’optimisation de ce procédé, basé sur une étape de précipitation oxalique suivie de la calcination en oxyde de l’oxalate précipité, nécessite de maîtriser les propriétés des solides formés dès l’étape initiale de précipitation. La morphologie de l’oxalate, conservée après calcination en oxyde, impacte toutes les étapes du procédé. Dans ce contexte, cette étude s’intéresse à la modulation de la morphologie des oxalates d’actinides tétravalents, thorium (IV) et plutonium (IV), grâce à l’ajout d’additifs organiques dans le milieu de précipitation. Les molécules sélectionnées, choisies parmi les composés dits « CHON » possédant des capacités de complexation et/ou de précipitation des actinides, présentent différents impacts sur la structure cristalline des oxalates précipités, la morphologie des particules, leur taille et/ou leur agglomération. L’analyse du solide, combinée aux mesures de solubilité, de cinétiques de nucléation, de croissance et de noyaux d’agglomération, conduit à proposer des mécanismes pour chaque modulation, sur la base desquels les différences entre oxalate de thorium (IV) et oxalate de plutonium (IV) sont discutées. La méthodologie multidisciplinaire développée dans le cadre de ce travail conduit à des propositions de renforcement de l’impact des additifs utiles dans une perspective de transposition à d’autres systèmes chimiques et notamment d’autres oxalates d’actinides ou de mélanges d’actinides.
Considering the treatment and recycling of future nuclear fuels, the oxalic conversion, which is used at an industrial scale for plutonium (IV) reprocessing, is the synthesis route considered as a reference for the future actinides oxides elaboration. In order to improve this process, based on the actinide oxalate precipitation and the calcination of the precipitate into oxide, a control of the solid properties at the precipitation step is necessary. This is particularly due to the impact of the oxalate morphology at all the stages of the process, up to the calcination at which the oxalate morphology is kept. This study deals with morphology modulations of tetravalent actinides oxalates, thorium (IV) and plutonium (IV), by addition of organic compounds in the precipitation medium. Several impacts of selected “CHON” additives were identified. The molecules, chosen among the actinides complexing and precipitating agents, can act on the crystal structure of the precipitates, the particles morphology, their size and/or their agglomeration. Solid-state analyses combined with the measurements of solubility, nucleation rates, crystal growth rates and agglomeration kernels, allow to shed light on the mechanisms underlying the morphology modulations. This work shows some differences between the behavior of thorium (IV) oxalate and plutonium (IV) oxalate systems. Their origins are discussed in the manuscript. The multidisciplinary methodology developed during this work leads to suggest how to re inforce the additives morphological impacts which can be useful in view of a transposition to other chemical systems, especially other actinides or mixed actinides oxalates.
21-12-2017
21-12-2017
Thèse
Thèse

Mise en œuvre et modélisation du comportement cyclique des polymères à mémoire de forme
Mise en œuvre et modélisation du comportement cyclique des polymères à mémoire de forme


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Le polyuréthane thermoplastique à mémoire de forme est un matériau "intelligent", réactif, capable de répondre à un stimulus thermique en déployant de grandes déformations et de retrouver ensuite sa forme initiale lors d’un cycle thermomécanique. Cette réversibilité totale est possible sur plusieurs cycles. Afin de Dimensionner un composant à mémoire de forme dans un système mécanique, un modèle de simulation numérique thermo-viscoélastique en grandes déformations de l’effet mémoire de forme est proposé. L’identification des paramètres de ce modèle est réalisée sur la base d’essais thermomécaniques (analyse mécanique dynamique DMA, traction-relaxation en température, recouvrements libres et contraints). La loi de comportement ainsi formulée, qui découple la contrainte hyperélastique et la contrainte viscoélastique, est programmée dans le logiciel de simulation numérique Comsol Multiphysics. Les résultats de la simulation montrent une très bonne concordance avec la réponse expérimentale du matériau au cours de plusieurs cycles de mémoire de forme. Afin d'améliorer les performances mécaniques statiques et dynamiques du polymère à mémoire de forme du polyuréthane thermoplastique (TPU), nous proposons d’ajouter des faibles pourcentages de nanotubes de halloysite (HNT) en utilisant un processus d’extrusion à l'état fondu avec du polyuréthane thermoplastique. Ce processus a induit une répartition homogène et une bonne dispersion de nanotubes dans toute la matrice TPU. Les essais mécaniques en tension ont démontré que la force et le module des nanocomposites augmentaient de manière significative avec l'ajout de halloysites sans perte de ductilité. En outre, les tests de mémoire cyclique en grande souplesse ont montré que les propriétés de la mémoire de forme, principalement la vitesse de récupération, étaient également améliorées. Nous avons, finalement, étudié l'effet de l’ajout des nanotubes sur les paramètres mécaniques du modèle proposé.
The semi-crystalline thermoplastic shape memory polyurethane (TPU-SMPU) is a smart material which has the ability to return to its original shape after applying a large strain thermo-mechanical cycle when it is stimulated by heating. This smart material has the advantage of recovering even after more than 100% of strain during several thermo-mechanical cycles. To explore the performance of a smart component in a mechanical system, it is mandatory to master the prediction of its behavior through a numerical model. A constitutive model is, then, proposed to describe its thermo-mechanical behavior and to predict the shape memory response. Uniaxial tensile tests at small strain rates were performed at 60°C in order to analyze the hyper-elastic response for each cycle. Relaxation tests were carried out at the end of the previous tensile loading to highlight the viscoelastic response during the shape memory cycle. These experimental data were, then, used in a curve-fitting algorithm employing least-squares optimization approach in order to identify the parameters of the proposed model. At last, the shape memory effect was investigated by means of free and constrained recovery experiments. The proposed model was then implemented into Comsol Multiphysics. It predicts quite well the experimental results in all cycles. In order to assess its predictability, this model has, then, been applied to the design of 3D structures. Furthermore, the mechanical performance and the shape memory properties have been improved by the addition of halloysite nanotubes (HNTs) with different weight percentages of nanotubes contents using a melt extrusion process. This process induced a homogeneous distribution and a good dispersion of nanotubes throughout the TPU matrix. Mechanical tests in tension demonstrated that strength and modulus of the nanocomposites significantly increase with addition of halloysites without significant loss of ductility. Moreover, cyclic shape memory tests under large strain showed that shape memory properties, mainly the recovery speed, were also enhanced. Using a thermo-visco-hyperelastic model for shape memory polymers, we have investigated the effect of nanotubes addition on the mechanical parameters.
Le polyuréthane thermoplastique à mémoire de forme est un matériau "intelligent", réactif, capable de répondre à un stimulus thermique en déployant de grandes déformations et de retrouver ensuite sa forme initiale lors d’un cycle thermomécanique. Cette réversibilité totale est possible sur plusieurs cycles. Afin de Dimensionner un composant à mémoire de forme dans un système mécanique, un modèle de simulation numérique thermo-viscoélastique en grandes déformations de l’effet mémoire de forme est proposé. L’identification des paramètres de ce modèle est réalisée sur la base d’essais thermomécaniques (analyse mécanique dynamique DMA, traction-relaxation en température, recouvrements libres et contraints). La loi de comportement ainsi formulée, qui découple la contrainte hyperélastique et la contrainte viscoélastique, est programmée dans le logiciel de simulation numérique Comsol Multiphysics. Les résultats de la simulation montrent une très bonne concordance avec la réponse expérimentale du matériau au cours de plusieurs cycles de mémoire de forme. Afin d'améliorer les performances mécaniques statiques et dynamiques du polymère à mémoire de forme du polyuréthane thermoplastique (TPU), nous proposons d’ajouter des faibles pourcentages de nanotubes de halloysite (HNT) en utilisant un processus d’extrusion à l'état fondu avec du polyuréthane thermoplastique. Ce processus a induit une répartition homogène et une bonne dispersion de nanotubes dans toute la matrice TPU. Les essais mécaniques en tension ont démontré que la force et le module des nanocomposites augmentaient de manière significative avec l'ajout de halloysites sans perte de ductilité. En outre, les tests de mémoire cyclique en grande souplesse ont montré que les propriétés de la mémoire de forme, principalement la vitesse de récupération, étaient également améliorées. Nous avons, finalement, étudié l'effet de l’ajout des nanotubes sur les paramètres mécaniques du modèle proposé.
The semi-crystalline thermoplastic shape memory polyurethane (TPU-SMPU) is a smart material which has the ability to return to its original shape after applying a large strain thermo-mechanical cycle when it is stimulated by heating. This smart material has the advantage of recovering even after more than 100% of strain during several thermo-mechanical cycles. To explore the performance of a smart component in a mechanical system, it is mandatory to master the prediction of its behavior through a numerical model. A constitutive model is, then, proposed to describe its thermo-mechanical behavior and to predict the shape memory response. Uniaxial tensile tests at small strain rates were performed at 60°C in order to analyze the hyper-elastic response for each cycle. Relaxation tests were carried out at the end of the previous tensile loading to highlight the viscoelastic response during the shape memory cycle. These experimental data were, then, used in a curve-fitting algorithm employing least-squares optimization approach in order to identify the parameters of the proposed model. At last, the shape memory effect was investigated by means of free and constrained recovery experiments. The proposed model was then implemented into Comsol Multiphysics. It predicts quite well the experimental results in all cycles. In order to assess its predictability, this model has, then, been applied to the design of 3D structures. Furthermore, the mechanical performance and the shape memory properties have been improved by the addition of halloysite nanotubes (HNTs) with different weight percentages of nanotubes contents using a melt extrusion process. This process induced a homogeneous distribution and a good dispersion of nanotubes throughout the TPU matrix. Mechanical tests in tension demonstrated that strength and modulus of the nanocomposites significantly increase with addition of halloysites without significant loss of ductility. Moreover, cyclic shape memory tests under large strain showed that shape memory properties, mainly the recovery speed, were also enhanced. Using a thermo-visco-hyperelastic model for shape memory polymers, we have investigated the effect of nanotubes addition on the mechanical parameters.
21-12-2017
21-12-2017
Thèse
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Caractérisation de la variabilité des propriétés mécaniques aux échelles fils, renforts et composites à base de lin
Caractérisation de la variabilité des propriétés mécaniques aux échelles fils, renforts et composites à base de lin


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Cette thèse a pour objectif la compréhension des propriétés mécaniques des composites à base de fibres de lin. Tout d’abord, on s’est focalisé sur les renforts tissés, ayant différents types de fils, structures et traitements, à travers une caractérisation multi-échelle. Les résultats montrent une forte influence du procédé du tissage ainsi que les traitements de désencollage et de séchage sur les propriétés mécaniques. L’étude montre une grande variabilité des propriétés mécaniques à l’échelle fil qui diminue significativement de l’échelle tissu à l’échelle composite où les résultats mettent en évidence des propriétés régulières et reproductibles, équivalentes aux composites à base de fibres synthétiques. Ensuite, cette thèse s’est intéressée aux propriétés mécaniques des renforts à orientation aléatoire, les non tissés. La caractérisation mécanique est réalisée sous forme sèche avec des essais de traction simple, de flexion pour différents lots de non tissé. Egalement, l’étude de la déformabilité des renforts non tissés est effectuée avec des essais d’emboutissage sur des géométries simple (hémisphère) et complexe (boite carrée). S’appuyant sur une approche expérimentale, un protocole de caractérisation est établi afin d’identifier et quantifier la réponse du non tissé lors de la mise en forme. L’apparition de nouveaux phénomènes tels que la variation de la densité locale et le glissement des fibres est observée pour les renforts de type non tissé. La caractérisation a démontré les effets de facteurs comme la géométrie du poinçon, la pression du serre-flan, la densité et la direction du renfort.
This work focuses on understanding the mechanical properties of flax-based composites. First of all, a multi-scale characterization is carried out for oriented fabric with different types of yarns, structures and treatments. Parameters such as the weaving process and the existence of treatments like desizing and drying has a strong impact on the mechanical properties. Furthermore, the results shows a high variability of the mechanical properties at the yarn scale which decreases significantly at the fabric and composite equivalent properties with the synthetic fibres based composites. Secondly, the thesis focused on the mechanical properties of randomly oriented preforms known as nonwovens. The mechanical characterizations of flax fibre nonwoven are carried out with tensile, bending tests in the dry form. Then, forming tests of the non-woven preforms are performed with different geometries. Based on this experimental approach, a characterization protocol is established to identify and quantify their formability behavior. New phenomena such the variation of local density and the slippage of fibres network are observed for this type of reinforcement. The forming behavior depends strongly on the punch geometry, blank-holder, the area density and direction of the preform.
Cette thèse a pour objectif la compréhension des propriétés mécaniques des composites à base de fibres de lin. Tout d’abord, on s’est focalisé sur les renforts tissés, ayant différents types de fils, structures et traitements, à travers une caractérisation multi-échelle. Les résultats montrent une forte influence du procédé du tissage ainsi que les traitements de désencollage et de séchage sur les propriétés mécaniques. L’étude montre une grande variabilité des propriétés mécaniques à l’échelle fil qui diminue significativement de l’échelle tissu à l’échelle composite où les résultats mettent en évidence des propriétés régulières et reproductibles, équivalentes aux composites à base de fibres synthétiques. Ensuite, cette thèse s’est intéressée aux propriétés mécaniques des renforts à orientation aléatoire, les non tissés. La caractérisation mécanique est réalisée sous forme sèche avec des essais de traction simple, de flexion pour différents lots de non tissé. Egalement, l’étude de la déformabilité des renforts non tissés est effectuée avec des essais d’emboutissage sur des géométries simple (hémisphère) et complexe (boite carrée). S’appuyant sur une approche expérimentale, un protocole de caractérisation est établi afin d’identifier et quantifier la réponse du non tissé lors de la mise en forme. L’apparition de nouveaux phénomènes tels que la variation de la densité locale et le glissement des fibres est observée pour les renforts de type non tissé. La caractérisation a démontré les effets de facteurs comme la géométrie du poinçon, la pression du serre-flan, la densité et la direction du renfort.
This work focuses on understanding the mechanical properties of flax-based composites. First of all, a multi-scale characterization is carried out for oriented fabric with different types of yarns, structures and treatments. Parameters such as the weaving process and the existence of treatments like desizing and drying has a strong impact on the mechanical properties. Furthermore, the results shows a high variability of the mechanical properties at the yarn scale which decreases significantly at the fabric and composite equivalent properties with the synthetic fibres based composites. Secondly, the thesis focused on the mechanical properties of randomly oriented preforms known as nonwovens. The mechanical characterizations of flax fibre nonwoven are carried out with tensile, bending tests in the dry form. Then, forming tests of the non-woven preforms are performed with different geometries. Based on this experimental approach, a characterization protocol is established to identify and quantify their formability behavior. New phenomena such the variation of local density and the slippage of fibres network are observed for this type of reinforcement. The forming behavior depends strongly on the punch geometry, blank-holder, the area density and direction of the preform.
20-12-2017
20-12-2017
Thèse
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Algorithmes pour la reconstruction de séquences de marqueurs conservés dans des données de métagénomique
Algorithmes pour la reconstruction de séquences de marqueurs conservés dans des données de métagénomique


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Les progrès récents en termes de séquençage d’ADN permettent maintenant d’accéder au matériel génétique de communautés microbiennes extraites directement d’échantillons environnementaux naturels. Ce nouveau domaine de recherche, appelé métagénomique, a de nombreuses applications en santé, en agro-alimentaire, en écologie, par exemple. Analyser de tels échantillons demande toutefois de développer de nouvelles méthodes bio-informatiques pour déterminer la composition taxonomique de la communauté étudiée. L’identification précise des organismes présents est en effet une étape essentielle à la compréhension des écosystèmes même les plus simples. Cependant, les technologies de séquençage actuelles produisent des fragments d’ADN courts et bruités, qui ne couvrent que partiellement les séquences complètes des gènes, ce qui pose un véritable défi pour l’analyse taxonomique à haute résolution. Nous avons développé MATAM, une nouvelle méthode bio-informatique dédiée à la reconstruction rapide et sans erreurs de séquences complètes de marqueurs phylogénétiques conservés, à partir de données brutes de séquençage. Cette méthode est composée d’une succession d’étapes qui réalisent la construction et l’analyse d’un graphe de chevauchement de lectures. Nous l’avons appliquée à l’assemblage de la petite sous-unité de l’ARN ribosomique sur des métagénomes simulés, synthétiques et réels. Les résultats obtenus sont de très bonne qualité et améliorent l’état de l’art.
Recent advances in DNA sequencing now allow studying the genetic material from microbial communities extracted from natural environmental samples. This new research field, called metagenomics, is leading innovation in many areas such as human health, agriculture, and ecology. To analyse such samples, new bioinformatics methods are still needed to ascertain the studied community taxonomic composition because accurate organisms identification is a necessary step to understand even the simplest ecosystems. However, current sequencing technologies are generating short and noisy DNA fragments, which only partially cover the complete genes sequences, giving rise to a major challenge for high resolution taxonomic analysis. We developped MATAM, a new bioinformatic methods dedicated to fast reconstruction of low-error complete sequences from conserved phylogenetic markers, starting from raw sequencing data. This methods is a multi-step process that builds and analyses a read overlap graph. We applied MATAM to the reconstruction of the small sub unit ribosomal ARN in simulated, synthetic and genuine metagenomes. We obtained high quality results, improving the state of the art.
Les progrès récents en termes de séquençage d’ADN permettent maintenant d’accéder au matériel génétique de communautés microbiennes extraites directement d’échantillons environnementaux naturels. Ce nouveau domaine de recherche, appelé métagénomique, a de nombreuses applications en santé, en agro-alimentaire, en écologie, par exemple. Analyser de tels échantillons demande toutefois de développer de nouvelles méthodes bio-informatiques pour déterminer la composition taxonomique de la communauté étudiée. L’identification précise des organismes présents est en effet une étape essentielle à la compréhension des écosystèmes même les plus simples. Cependant, les technologies de séquençage actuelles produisent des fragments d’ADN courts et bruités, qui ne couvrent que partiellement les séquences complètes des gènes, ce qui pose un véritable défi pour l’analyse taxonomique à haute résolution. Nous avons développé MATAM, une nouvelle méthode bio-informatique dédiée à la reconstruction rapide et sans erreurs de séquences complètes de marqueurs phylogénétiques conservés, à partir de données brutes de séquençage. Cette méthode est composée d’une succession d’étapes qui réalisent la construction et l’analyse d’un graphe de chevauchement de lectures. Nous l’avons appliquée à l’assemblage de la petite sous-unité de l’ARN ribosomique sur des métagénomes simulés, synthétiques et réels. Les résultats obtenus sont de très bonne qualité et améliorent l’état de l’art.
Recent advances in DNA sequencing now allow studying the genetic material from microbial communities extracted from natural environmental samples. This new research field, called metagenomics, is leading innovation in many areas such as human health, agriculture, and ecology. To analyse such samples, new bioinformatics methods are still needed to ascertain the studied community taxonomic composition because accurate organisms identification is a necessary step to understand even the simplest ecosystems. However, current sequencing technologies are generating short and noisy DNA fragments, which only partially cover the complete genes sequences, giving rise to a major challenge for high resolution taxonomic analysis. We developped MATAM, a new bioinformatic methods dedicated to fast reconstruction of low-error complete sequences from conserved phylogenetic markers, starting from raw sequencing data. This methods is a multi-step process that builds and analyses a read overlap graph. We applied MATAM to the reconstruction of the small sub unit ribosomal ARN in simulated, synthetic and genuine metagenomes. We obtained high quality results, improving the state of the art.
20-12-2017
20-12-2017
Thèse
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Rôle des modifications post-traductionnelles dans le processus d’agrégation de la protéine Tau
Rôle des modifications post-traductionnelles dans le processus d’agrégation de la protéine Tau


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L’analyse histologique de cerveaux des patients atteints par la maladie Alzheimer met en évidence deux lésions moléculaires majeures : les plaques amyloïdes extraneuronales et les structures fibrillaires intra-neuronales. Alors que les premières sont constituées par l’agrégation du peptide Aβ, les fibres intra-neuronales, aussi appelées PHFs, sont essentiellement formées par l’agrégation de la protéine Tau hyperphosphorylée. De nombreuses études ont démontré une corrélation positive entre l’hyperphosphorylation de la protéine Tau, la progression de la dégénérescence neurofibrillaire de manière spatio-temporelle dans le cerveau et le stade de la maladie mais, à ce jour, le mécanisme moléculaire liant la phosphorylation et l’agrégation pathologique reste inconnu. De plus, par l’absence de structure tridimensionnelle, la protéine Tau est une cible privilégiée d’un grand nombre d’enzymes telles que les kinases, acétyl- et glycosyl-transférases... impliquées dans la modification post-traductionnelle (MPT) de la protéine. Le rôle de ces autres modifications dans le processus agrégatif n’est pas encore clairement établi et mérite d’être étudié. De plus, l’identification de ces différentes modifications nous a amené à nous interroger sur le dialogue potentiel avec la phosphorylation et leur impact sur l’agrégation de la protéine Tau. Dans ce contexte, par différentes approches in vitro, nous avons étudié le rôle de trois modifications clés de la protéine Tau : la phosphorylation (Ser/Thr), l’acétylation (Lys) et l’O-GlcNAcylation (Ser).
The brains of patients with Alzheimer’s disease (AD) are characterized at the molecular level by two different lesions: extraneuronal amyloid plaques and intraneuronal tangles. Both contain fibrillary structures: the former is composed of insoluble Aβ peptides and the tangles contain paired helical filaments (PHFs) made of Tau proteins as the main contituent.It has been established that Tau is is found in an hyperphosphorylated state in PHFs. Numerous studies have demonstrated a positive correlation between hyperphosphorylation of Tau, progression of neurofibrillary degeneration through the brain and stages of the disease but the molecular mechanisms underlying Tau hyperphosphorylation and aggregation in AD are currently unknown. Moreover, due to its intrinsically disordered nature, Tau displays an increased accessibility for lots of modifying enzymes such as kinases, acetyl- and glycosyl-transferases…which are responsible for Tau post-translational modifications (PTMs). The role of these modifications in the pathological aggregation process of Tau protein remains unclear and has to be elucidated. Moreover, identification of these PTMs raises the question of the potential crosstalk with phosphorylation on the pathological aggregation of Tau. In this context, by using different in vitro approaches, we have studied the role of three major modifications of Tau: phosphorylation (Ser/Thr), acetylation (Lys) and O-GlcNAcylation (Ser).
L’analyse histologique de cerveaux des patients atteints par la maladie Alzheimer met en évidence deux lésions moléculaires majeures : les plaques amyloïdes extraneuronales et les structures fibrillaires intra-neuronales. Alors que les premières sont constituées par l’agrégation du peptide Aβ, les fibres intra-neuronales, aussi appelées PHFs, sont essentiellement formées par l’agrégation de la protéine Tau hyperphosphorylée. De nombreuses études ont démontré une corrélation positive entre l’hyperphosphorylation de la protéine Tau, la progression de la dégénérescence neurofibrillaire de manière spatio-temporelle dans le cerveau et le stade de la maladie mais, à ce jour, le mécanisme moléculaire liant la phosphorylation et l’agrégation pathologique reste inconnu. De plus, par l’absence de structure tridimensionnelle, la protéine Tau est une cible privilégiée d’un grand nombre d’enzymes telles que les kinases, acétyl- et glycosyl-transférases... impliquées dans la modification post-traductionnelle (MPT) de la protéine. Le rôle de ces autres modifications dans le processus agrégatif n’est pas encore clairement établi et mérite d’être étudié. De plus, l’identification de ces différentes modifications nous a amené à nous interroger sur le dialogue potentiel avec la phosphorylation et leur impact sur l’agrégation de la protéine Tau. Dans ce contexte, par différentes approches in vitro, nous avons étudié le rôle de trois modifications clés de la protéine Tau : la phosphorylation (Ser/Thr), l’acétylation (Lys) et l’O-GlcNAcylation (Ser).
The brains of patients with Alzheimer’s disease (AD) are characterized at the molecular level by two different lesions: extraneuronal amyloid plaques and intraneuronal tangles. Both contain fibrillary structures: the former is composed of insoluble Aβ peptides and the tangles contain paired helical filaments (PHFs) made of Tau proteins as the main contituent.It has been established that Tau is is found in an hyperphosphorylated state in PHFs. Numerous studies have demonstrated a positive correlation between hyperphosphorylation of Tau, progression of neurofibrillary degeneration through the brain and stages of the disease but the molecular mechanisms underlying Tau hyperphosphorylation and aggregation in AD are currently unknown. Moreover, due to its intrinsically disordered nature, Tau displays an increased accessibility for lots of modifying enzymes such as kinases, acetyl- and glycosyl-transferases…which are responsible for Tau post-translational modifications (PTMs). The role of these modifications in the pathological aggregation process of Tau protein remains unclear and has to be elucidated. Moreover, identification of these PTMs raises the question of the potential crosstalk with phosphorylation on the pathological aggregation of Tau. In this context, by using different in vitro approaches, we have studied the role of three major modifications of Tau: phosphorylation (Ser/Thr), acetylation (Lys) and O-GlcNAcylation (Ser).
19-12-2017
19-12-2017
Thèse
Thèse

Effets des symétries sur la localisation dans des systèmes quantiques désordonnés
Effets des symétries sur la localisation dans des systèmes quantiques désordonnés


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Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique, pour d’étudier certains aspects nouveaux de de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportons ainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matières atomiques, d’un phénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour à l’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis de diagnostique de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor. Cela nous permet de créer un système désordonné dans lesquel il existe un flux Aharonov-Bohm artificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briser la symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Anderson dans deux classes d’universalités différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nous avons investigué l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés des systèmes désordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsi pour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemment prédit, qui constitue un nouveau marqueur interférientiel de la localisation d’Anderson. Nous mettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentales des fonctions d’échelles (G), dans les deux classes de symétries et nous démontrons leur universalité.
In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigm of quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems.We thus present the first experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked to weak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect can be used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel, outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the Kicked Rotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificial Aharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break the time reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two different symmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effect of this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking two signatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, the Coherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuine signature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreement with theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of the (G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetry classes and we demonstrate their universality.
Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique, pour d’étudier certains aspects nouveaux de de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportons ainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matières atomiques, d’un phénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour à l’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis de diagnostique de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor. Cela nous permet de créer un système désordonné dans lesquel il existe un flux Aharonov-Bohm artificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briser la symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Anderson dans deux classes d’universalités différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nous avons investigué l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés des systèmes désordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsi pour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemment prédit, qui constitue un nouveau marqueur interférientiel de la localisation d’Anderson. Nous mettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentales des fonctions d’échelles (G), dans les deux classes de symétries et nous démontrons leur universalité.
In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigm of quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems.We thus present the first experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked to weak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect can be used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel, outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the Kicked Rotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificial Aharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break the time reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two different symmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effect of this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking two signatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, the Coherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuine signature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreement with theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of the (G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetry classes and we demonstrate their universality.
15-12-2017
15-12-2017
Thèse
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Conduction thermique à la nanoéchelle dans le silicium : simulations par dynamique moléculaire d’approche à l’équilibre
Conduction thermique à la nanoéchelle dans le silicium : simulations par dynamique moléculaire d’approche à l’équilibre


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Les propriétés thermiques des nanomatériaux offrent une palette variée de comportements. Parfois, le transfert thermique est dégradé comparé à l'échelle macroscopique, produisant un échauffement dans les nanodispositifs électroniques et une augmentation de l'efficacité des modules thermoélectriques. D'autres fois, la conductivité thermique atteint des niveaux supérieurs à ceux des matériaux massifs. Cette thèse étudie le transport de chaleur dans des nanostructures de silicium par simulation à l'échelle atomique. La méthode de la dynamique moléculaire est utilisée dans un cadre original basé sur l'exploitation de transitoires de température, la dynamique moléculaire d'approche à l'équilibre (AEMD i.e. Approach-to-Equilibrium Molecular Dynamics). Après avoir présenté et illustré l'AEMD dans le cas du silicium massif, nous étudions la conductivité thermique de nanofils lisses en fonction de leur diamètre et de la longueur. Nous montrons que le profil de température est conforme à l'équation de la chaleur et que la conductivité thermique des nanofils sature à grande longueur. Nous étudions ensuite l'effet d'une nanostructuration par évidement et de la rugosité de surface. Nos résultats sont comparés à une approche de simulation alternative pour explorer le poids relatif des collisions phononiques internes et surfaciques. Enfin, nous nous intéressons à la conductivité thermique de membranes de silicium nanostructurées fabriquées au sein du laboratoire. Nous montrons que, pour réduire davantage la conductivité thermique et ainsi augmenter l'efficacité de conversion d'un dispositif thermoélectrique, il faudra davantage de nanostructuration que des évidements cylindriques.
The thermal conductivity of nanostructures varies on a large scale compared to bulk materials. Sometimes the thermal transfer is worse due to the reduction of thermal conductivity, at the origin of self-heating in electronic devices, but valuable for thermoelectric devices. In other cases, the thermal conductivity reaches impressive levels compared to bulk materials. The origin of these behaviors is at the atomic level, and the in the propagation of the heat carriers, the phonons. In this thesis, we study heat transport in silicon nanostructures by atomic scale simulations. Molecular dynamics is used here in the framework of a methodology we recently developed, the approach-to-equilibrium molecular dynamics (AEMD). This methodology relies on the creation and exploitation of temperature transients. First we present the principles of AEMD in the case of bulk silicon. Then we determine the thermal conductivity of smooth nanowires versus diameter and length. We show that the temperature profiles do comply with the heat equation, and that the thermal conductivity saturates at long length. Afterwards we study nanostructuring effects by hollowing, and nanowires with rough surfaces. In this last case, we compare our results with an alternative simulation approach and investigate the relative importance of intrinsic and surface phonon scattering. Finally, we calculate the thermal conductivity of nanopatterned silicon membranes for thermoelectric devices. We show that to further decrease the thermal conductivity, it will be necessary to introduce other sources reduction than cylidrincal hole etching, and AEMD will be the appropriate tool for an optimisation.
Les propriétés thermiques des nanomatériaux offrent une palette variée de comportements. Parfois, le transfert thermique est dégradé comparé à l'échelle macroscopique, produisant un échauffement dans les nanodispositifs électroniques et une augmentation de l'efficacité des modules thermoélectriques. D'autres fois, la conductivité thermique atteint des niveaux supérieurs à ceux des matériaux massifs. Cette thèse étudie le transport de chaleur dans des nanostructures de silicium par simulation à l'échelle atomique. La méthode de la dynamique moléculaire est utilisée dans un cadre original basé sur l'exploitation de transitoires de température, la dynamique moléculaire d'approche à l'équilibre (AEMD i.e. Approach-to-Equilibrium Molecular Dynamics). Après avoir présenté et illustré l'AEMD dans le cas du silicium massif, nous étudions la conductivité thermique de nanofils lisses en fonction de leur diamètre et de la longueur. Nous montrons que le profil de température est conforme à l'équation de la chaleur et que la conductivité thermique des nanofils sature à grande longueur. Nous étudions ensuite l'effet d'une nanostructuration par évidement et de la rugosité de surface. Nos résultats sont comparés à une approche de simulation alternative pour explorer le poids relatif des collisions phononiques internes et surfaciques. Enfin, nous nous intéressons à la conductivité thermique de membranes de silicium nanostructurées fabriquées au sein du laboratoire. Nous montrons que, pour réduire davantage la conductivité thermique et ainsi augmenter l'efficacité de conversion d'un dispositif thermoélectrique, il faudra davantage de nanostructuration que des évidements cylindriques.
The thermal conductivity of nanostructures varies on a large scale compared to bulk materials. Sometimes the thermal transfer is worse due to the reduction of thermal conductivity, at the origin of self-heating in electronic devices, but valuable for thermoelectric devices. In other cases, the thermal conductivity reaches impressive levels compared to bulk materials. The origin of these behaviors is at the atomic level, and the in the propagation of the heat carriers, the phonons. In this thesis, we study heat transport in silicon nanostructures by atomic scale simulations. Molecular dynamics is used here in the framework of a methodology we recently developed, the approach-to-equilibrium molecular dynamics (AEMD). This methodology relies on the creation and exploitation of temperature transients. First we present the principles of AEMD in the case of bulk silicon. Then we determine the thermal conductivity of smooth nanowires versus diameter and length. We show that the temperature profiles do comply with the heat equation, and that the thermal conductivity saturates at long length. Afterwards we study nanostructuring effects by hollowing, and nanowires with rough surfaces. In this last case, we compare our results with an alternative simulation approach and investigate the relative importance of intrinsic and surface phonon scattering. Finally, we calculate the thermal conductivity of nanopatterned silicon membranes for thermoelectric devices. We show that to further decrease the thermal conductivity, it will be necessary to introduce other sources reduction than cylidrincal hole etching, and AEMD will be the appropriate tool for an optimisation.
14-12-2017
14-12-2017
Thèse
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Cité Scientifique BP 30155 59653 VILLENEUVE D'ASCQ CEDEX Tél.:+33 (0)3 20 43 44 10