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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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56documents trouvés

16457
01/03/2017

Dioxygen molecule adsorption and oxygen atom diffusion on clean and defective Aluminum (111) surface using first principles calculations

A.HEMERYCK, M.GUILTAT, M.BRUT, S.VIZZINI

M3, IM2NP

Revue Scientifique : Vol.657, pp.79-89, Mars 2017 , N° 16457

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01407658

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Abstract

First principles calculations are conducted to investigate kinetic behavior of oxygen species at the surface of clean and defective Al(111) substrate. Oxygen island, aluminum vacancy, aluminum sub-vacancy, aluminum ad-atom and aluminum terraces defects are addressed. Adsorption of oxygen molecule is first performed on all these systems resulting in dissociated oxygen atoms in main cases. The obtained adsorbed configurations are then picked to study the behavior of atomic oxygen specie and get a detailed understanding on the effect of the local environment on the ability of the oxygen atom to diffuse on the surface. We pointed out that local environment impacts energetics of oxygen atom diffusion. Close packed oxygen island, sub-vacancy and ad-atoms favor oxygen atom stability and decrease mobility of oxygen atom on the surface, to be seen as surface area for further nucleation of oxygen island.

138449
16480
10/02/2017

Fabrication and modeling of a capacitor microfluidically tuned by water

N.HABBACHI, H.BOUSSETTA, A.BOUKABACHE, M.A.KALLALA, P.PONS, K.BESBES

Monastir, MILE, MINC

Revue Scientifique : IEEE Electron Device Letters, Vol.38, N°2, pp.277-280, Février 2017, DOI: 10.1109/LED.2016.2644540 , N° 16480

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Abstract

This letter presents fabrication and modeling of a continuously tunable microfluidic capacitor, which is composed of electrodes obtained by classical electrodeposition and microfluidic channels generated by lamination of SU-8 films. We show that the capacitance increases continuously between Cmin = 0.52 pF and Cmax = 18.5 pF following addition of deionized (DI) water in microchannels. The capacitance tuning range reaches 3460% at 500 MHz. The quality factor decreases from Qmax = 69 when the capacitor is empty to Qmin = 5.3 when it is fully filled with DI water. We also model the electric field and current distributions inside microfluidic channels, showing that electric field is cancelled as they are entirely filled with DI water.

138952
16463
27/01/2017

Tunable MEMS capacitor: influence of fluids

N.HABBACHI, H.BOUSSETTA, A.BOUKABACHE, M.A.KALLALA, P.PONS, K.BESBES

Monastir, MILE, MINC

Revue Scientifique : Electronics Letters, Vol.53, N°2, pp.72-73, Janvier 2017 , N° 16463

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01415341

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Abstract

In this letter we evaluate the effect of a dielectric liquid on the tunability of capacitor operating in RF domains. The RF measurement shows a high variations of the resonant frequency accompanied with a low insertion loss. Moreover, the fluid positions between electrodes modifies the capacitance value up to Tr = 6660% at 600MHz. The quality factor decreases in response of water filling from Qmax = 51.9 when it is empty to Qmin = 1.49 when it is fully filled. According to the FEM analysis, the change of the dielectric permittivity influences the capacitor performances. Essentially, the tuning range of the capacitance and the quality factor could reach respectively: Tr = 7660% and Qmin = 35.-

Abstract

In this letter we evaluate the effect of a dielectric liquid on the tunability of capacitor operating in RF domains. The RF measurement shows a high variations of the resonant frequency accompanied with a low insertion loss. Moreover, the fluid positions between electrodes modifies the capacitance value up to Tr = 6660% at 600MHz. The quality factor decreases in response of water filling from Qmax = 51.9 when it is empty to Qmin = 1.49 when it is fully filled. According to the FEM analysis, the change of the dielectric permittivity influences the capacitor performances. Essentially, the tuning range of the capacitance and the quality factor could reach respectively: Tr = 7660% and Qmin = 35.-

138674
17005
16/01/2017

Exploration des nanotechnologies ADN pour l'auto-assemblage de nanoparticules d'aluminium et d'oxyde de cuivre : application à la synthèse de matériaux énergétiques

T.CALAIS

NEO

Doctorat : 16 Janvier 2017, 286p., Président: J.P.AIME, Rapporteurs: S.BIDAULT, D.GASPARUTTO, Examinateurs: Y.CHABAL, A.ESTEVE, R.M.SAUVAGE, Directeurs de thèse: C.ROSSI, A.BANCAUD , N° 17005

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Abstract

Over the two last decades, DNA technologies have intensively been studied for the organization of matter at the nanoscale. Thanks to the bio recognition of two complementary DNA single-strands and their hybridization into the famous helicoidally structure, self-assembling of gold nanoparticles into highly ordered micrometer scale crystals has been demonstrated. The aim of this thesis is to explore this new nanotechnology for the self-assembly of Al and CuO nanoparticles driven by DNA hybridization into highly energetic nanocomposites by optimizing contact surfaces between reducer (Al) and oxidizer (CuO). We chose Streptavidin-biotin strategy to functionalize nanoparticles with DNA single strands. More precisely, the functionalization process includes four steps: (i) stabilization of Al and CuO nanoparticles into separate colloidal suspensions; (ii) Streptavidin grafting on Al and CuO nanoparticles; (iii) DNA grafting on Al and CuO Streptavidin-modified nanoparticles thanks to the addition of biotin function at the end of the DNA single strands; (iv) mixing of the two colloidal DNA-functionalized suspensions in order to realize the self-assembly. First, we precisely determined, characterized and optimized each step of the functionalization process. Then, we studied more precisely two key points of the process: we analyzed the interaction of DNA bases with technologically relevant oxide surfaces by studying the grafting of Thymidine by theoretical and experimental approaches; and we studied the influence of the coding sequence used for the DNA strands on the quality of the self-assembly, also by theoretical and experimental analyses. Finally, we optimized environmental conditions to realize the self-assembly of DNA-functionalized nanoparticles into energetic nanobiocomposites. Morphologies and energetic properties were established as a function of synthesis conditions, and the control of energetic performances of nanobiocomposites as a function of aggregation process was demonstrated.

Résumé

Les nanotechnologies ADN utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules d’or ou de métaux nobles ont connu un important développement au cours des vingt dernières années, permettant l’organisation de particules agencées en nano-cristaux, grâce à la reconnaissance biologique inégalable de deux brins complémentaires d’ADN. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter ces nanotechnologies à l’assemblage de nanoparticules d’Al et de CuO en vue d’élaborer des matériaux composites énergétiques à haute performance, grâce à l’augmentation des surfaces en contact entre réducteur (Al) et oxydant (CuO) par la maîtrise de l’organisation spatiale des nanoparticules. Ainsi, la fonctionnalisation séparée des nanoparticules d’Al et de CuO dispersées en solution colloïdale par des monobrins d’ADN complémentaires doit amener, après mélange des deux solutions colloïdales, à l’agrégation des particules par l’hybridation des brins d’ADN greffés en surface. La stratégie de fonctionnalisation choisie ici est générique : la protéine « Streptavidine » est d’abord greffée sur la nanoparticule, puis le brin d’ADN fonctionnalisé par un groupe biotine à une de ses extrémités, se fixe sur la Streptavidine. Au-delà de l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, l’enjeu double de ces travaux tient dans l’établissement d’un protocole de fonctionnalisation fiable et reproductible, propre aux procédés de micro-électronique, pour envisager un report de ces matériaux sur puce, mais également dans le contrôle des performances énergétiques grâce à l’ADN. Nous avons tout d’abord étudié l’interaction entre les bases de l’ADN et la surface des particules afin d’identifier les interactions non-spécifiques pouvant provoquer une agrégation non-maîtrisée. Dans un second temps, nous nous sommes appliqués à élaborer le protocole en caractérisant précisément chaque étape de fonctionnalisation. Nous avons ensuite étudié l’agrégation des particules fonctionnalisées en fonction de nombreux paramètres expérimentaux telles que la longueur de la chaîne ADN, la séquence de l’oligonucléotide, ou encore la composition saline de la solution. A cause de l’existence d’interactions non-spécifiques, nous avons optimisés ces paramètres de façon à assurer une agrégation dirigée uniquement par l’hybridation des brins d’ADN et améliorer ainsi de façon conséquente l’organisation spatiale des particules et les performances énergétiques des matériaux synthétisés. Enfin, nous avons démontré la possibilité de contrôler les performances énergétiques des nanobiocomposites en maîtrisant leur microstructure grâce à l’ADN.

Mots-Clés / Keywords
Nanothermites; Colloïdes; Auto-assemblage par ADN; Nanoparticules d'Al; Nanoparticules de CuO; Colloids; DNA Self-Assembly; Al nanoparticles; CuO Nanoparticles;

138695
16058
01/01/2017

Role of impurities, defects and their complexes on the trapping of hydrogen in bulk aluminium and on the Al(111) surface

J.M.DUCERE, M.DJAFARI ROUHANI, C.ROSSI, A.ESTEVE

NEO

Revue Scientifique : Computational Materials Science, Vol.126, pp.272-279, Janvier 2017 , N° 16058

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Abstract

First principles calculations are performed to explore and quantify the stability of hydrogen in several Al environments including bulk Al and Al(1 1 1) surface, with the possible presence of vacancies and Mg, Cu and Zn impurities as substitutional defects in bulk or in the surface or as adatoms on the surface. In contrast to common statement, we show that hydrogen has a natural propensity to self-organize in bulk Al and demonstrate that vacancies can serve as nucleation centers for this process leading to massive hydrogen accumulation into aluminum. We then discuss the surface adatom defect and observe that it activates molecular hydrogen dissociation enabling further hydride insertion into bulk Al. Finally, we find that Mg, Cu, or Zn isolated impurities do not significantly impact hydrogen trapping indicating that structural defects rather than the local chemistry of isolated impurities are governing hydrogen accumulation in aluminum.

137733
16317
01/01/2017

Investigation of Al/CuO multilayered thermite ignition

A.NICOLLET, L.MARIN MERCADO, A.BELISARIO, S.ASSIE-SOULEILLE, M.DJAFARI ROUHANI, A.ESTEVE, C.ROSSI

NEO, I2C

Revue Scientifique : Journal of Applied Physics, Vol.121, N°3, 034503p., Janvier 2017 , N° 16317

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Abstract

The ignition of the Al/CuO multilayered material is studied experimentally to explore the effects of the heating surface area, layering, and film thickness on the ignition characteristics and reaction performances. After the description of the micro-initiator devices and ignition conditions, we show that the heating surface area must be properly calibrated to optimize the nanothermite ignition performances. We demonstrated experimentally that a heating surface area of 0.25 mm2 is sufficient to ignite a multilayered thermite film of 1.6 mm wide by a few cm long, with a success rate of 100%. A new analytical and phenomenological ignition model based on atomic diffusion across layers and thermal exchange is also proposed. This model considers that CuO first decomposes into Cu2O, and then the oxygen diffuses across the Cu2O and Al2O3 layers before reaching the Al layer, where it reacts to form Al2O3. The theoretical results in terms of ignition response times confirm the experimental observation. The increase of the heating surface area leads to an increase of the ignition response time and ignition power threshold (go/no go condition). We also provide evidence that, for any heating surface area, the ignition time rapidly decreases when the electrical power density increases until an asymptotic value. This time point is referred to as the minimum response ignition time, which is a characteristic of the multilayered thermite itself. At the stoichiometric ratio (Al thickness is half of the CuO thickness), the minimum ignition response time can be easily tuned from 59 μs to 418 ms by tuning the heating surface area. The minimum ignition response time increases when the bilayer thickness increases. This work not only provides a set of micro-initiator design rules to obtain the best ignition conditions and reaction performances but also details a reliable and robust MicroElectroMechanical Systems process to fabricate igniters and brings new understanding of phenomena governing the ignition process of Al/CuO multilayers.

138972
16498
09/12/2016

Écoulements liquide-gaz, évaporation, cristallisation dans les milieux micro et nanoporeux. Études à partir de systèmes modèles micro et nanofluidiques

A.NAILLON

MILE

Doctorat : INP de Toulouse, 9 Décembre 2016, 180p., Président: G.PIJAUDIER-CABOT, Rapporteurs: H.BODIGUEL, N.SHAHIDZADEH, Examinateurs: D.DEROME, J.TALANDIER, Directeurs de thèse: M.PRAT, P.JOSEPH , N° 16498

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01449523

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Abstract

Flows in porous media are ubiquitous in nature and industry. The aimof this thesis work is to study these flows in presence of liquid and gas, relying on the use of artificial model systems. They correspond to imbibition (or capillary invasion), drainage (or the displacement of a wetting fluid by a non-wetting fluid), and evaporation (or drying). A first part of this work focuses on the liquid-gas flows in porous media whose pore size is lower than 100 nm. They are called nanoporous media. At this scale, several phenomenamight modify the liquid-gas flows in comparison with what is known at the micrometer scale: e.g. contact line pinning, high negative pressure in liquid or cavitation. Thus, experiments are needed to better characterize these flows. In parallel, recent progresses in nanofabrication allow fabricating devices whose depth drop down to few nanometers. This approach provide an innovative tool to study the flows in nanoporous model systems in two dimensions, as it has been already performed at larger scale. A clear advantage to this system is that it allows direct observation of different phases. Silicon-glass nanofluidic devices were fabricated with constant depth in the 20-500 nm range. A new fabrication process was developed to obtain nanochannel with non-uniform depth in one step. It is based on grayscale laser lithography. Imbibition experiments and a numerical model showed that the gas pressurization increased the gas transfer throw the liquid. Drainage experiments were performed in devices with pressure as high as 20 bars. Pore networks modeling with invasion percolation algorithmshowed that the experimental invasion patterns correspond to those expected at micrometer scale for low Capillary number. Evaporation in nanochannels revealed interesting kinetics of bubbles appearance and growth. A prospective study is shown at the end to argue the importance of pursuing these studies in deformable media. The second part of this work concentrates on the sodiumchloride crystallization at the scale of a micrometer pore. In the specific case of the drying of a salt solution, evaporation leads to the crystallization of the dissolved species. This phenomenon is involved in the issue of art conservation or building salt weathering. The mechanisms which lead to a stress on wall induced by a crystal are not generally admitted both at macro and microscale. Deformations induced by crystal growth were observed in glass-polymer (PDMS) microfluidic devices. The crystal growth kinetics wasmeasured at high acquisition rate and allowed giving a new value of the parameter of kinetics of crystal growth by reaction, one to two orders of magnitude higher than the ones used in literature. A numerical model was developed to predict the evolution of dissolved salt concentration during crystal growth. It allowed designing a phase diagram which gives the condition to favors the stress generation by a crystal on a wall. A theoretical analysis defined a Damkhöler number, taking into account transport properties and pore size. At last, a stress generation mechanism was observed, leading to the pore closure.

Résumé

Les écoulements enmilieux poreux sont omniprésents tant dans la nature que dans l’industrie. Les travaux menés dans cette thèse ont pour objectif d’étudier ces écoulements en présence de liquide et de gaz. Cela correspond aux situations d’imbibition (ou invasion capillaire), de drainage (ou déplacement d’un fluide mouillant par lamise en pression d’un fluide non mouillant), et d’évaporation (ou de séchage). L’étude se base sur l’utilisation de systèmes modèles artificiels. Une première partie de ce travail se concentre sur les écoulements liquide-gaz dans les milieux dont la taille des pores est inférieure à 100 nm. Ces milieux sont dits nanoporeux. A cette échelle, différents phénomènes sont susceptibles demodifier les écoulements liquide-gaz par rapport à ce qui est observé à l’échellemicrométrique : accrochage de la ligne de contact, pression fortement négative en phase liquide ou cavitation par exemple. Des expériences sont donc nécessaires pour mieux caractériser ces écoulements. En parallèle, les récents progrès en nanofabrication permettent d’obtenir des systèmes dont la profondeur peut descendre jusqu’à quelques nanomètres. Cette approche, désormais classique à plus grande échelle, nous fournit un outil innovant pour étudier les écoulements dans des milieux nanoporeux modèles, en deux dimensions. Un atout évident de ce type de modèles est qu’ils permettent une visualisation directe des deux phases, liquide et gaz. Des dispositifs nanofluidiques en silicium-verre et à profondeur constante ont été réalisés dans la gamme 20-500 nm. Un nouveau procédé de nanofabrication basé sur une lithographie laser à niveau de gris a été développé afin d’obtenir des dispositifs à profondeurs variables en une seule étape. Les expériences d’imbibition et un modèle théorique ont mis en avant que la pressurisation du gaz accélère son transport dans le liquide. Ensuite, des expériences de drainage ont été réalisées dans des dispositifs nanofluidiques avec des pressions de l’ordre de 20 bars. Des simulations sur réseau de pores utilisant l’algorithme de percolation d’invasion ont montré que les motifs d’invasion expérimentaux correspondaient à ce qui était attendu à l’échellemicrométrique pour des écoulements à faible nombre capillaire. Enfin, l’évaporation en nanocanaux a révélée des cinétiques intéressantes d’apparition et de croissance de bulles dans le liquide. Une ouverture est faite sur l’intérêt de poursuivre ces études dans des systèmes déformables. La deuxième partie de cette thèse s’est focalisée sur la cristallisation du chlorure de sodium à l’échelle d’un pore micrométrique. Dans le cas particulier du séchage d’une solution de sel, l’évaporation amène à la cristallisation des espèces dissoutes. Ce phénomène est largement impliqué dans la problématique de la conservation des oeuvres d’arts ou de la détérioration précoce des édifices. Les mécanismes qui conduisent à la génération de contraintes par un cristal sur une paroi, appelée pression de cristallisation, ne sont pas encore admis tant à l’échelle macro que microscopique. Des déformations induites par la cristallisation du sel ont été observées dans des dispositifs microfluidiques verre-polymère (PDMS). La vitesse de croissance d’un cristal a été mesurée à haute cadence d’acquisition, aboutissant à une nouvelle valeur de la constante de cinétique de réaction, supérieure d’un à deux ordres de grandeur aux données de la littérature. Un modèle numérique prédit l’évolution du champ de concentration en sel dissous lors de la croissance du cristal. Complété par une analyse théorique qui a mis en avant un nombre de Damkhöler prenant en compte les propriétés de transport et la taille du pore, il a permis de construire un diagramme de phase qui traduit les conditions favorables à la génération de contraintes par un cristal sur une paroi. Enfin, un mécanisme de génération de contraintes négatives entraînant la fermeture du pore a été observé.

Mots-Clés / Keywords
Nanofluidique; Ecoulements liquide-gaz; Imbibition; Drainage; Evaporation; Cristallisation; Milieu nanoporeux; Nanofluidics; Liquid-gas flows; Crystallization; Nanoporous media;

138693
16413
09/12/2016

De nouveaux matériaux pyrotechniques avancés aux systèmes d'initiation intelligents. Rapport travaux 2016

A.NICOLLET, V.BAIJOT, J-M.POUCHAIRET-RAMONA, A.BELISARIO, A.ESTEVE, C.ROSSI

NEO

Rapport de Contrat : Laboratoire commun IMPYACT, Décembre 2016, 30p. , N° 16413

Diffusion restreinte

138295
16410
09/12/2016

A multi-phase micro-kinetic model for simulating aluminium based thermite reaction

V.BAIJOT, M.DJAFARI ROUHANI, C.ROSSI, A.ESTEVE

NEO

Rapport LAAS N°16410, Décembre 2016, 29p.

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138290
16411
04/12/2016

Transdermal drug delivery system: active method for enhancing and controlling lidocaine hydrochloride diffusion

Y.TALBI, D.BRULIN, E.CAMPO, J.Y.FOURNIOLS, B.MARTIN, M.BLANZAT

S4M, IMRCP

Manifestation avec acte : IEEE EMBS Conference of Biomedical, Engineering and Sciences ( IECBES ) 0 du 04 décembre au 08 décembre 2016, Kuala Lumpur (Malaisie), Décembre 2016, 6p. , N° 16411

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Abstract

The objective of this study is to determine the effect of iontophoresis on the transport of lidocaine hydrochloride (2%, w/w) across ear pig skin. Our project consists of the development of a transdermal drug delivery system (TDDS). The system is designed as a reusable electronic patch where micropump, reservoir, sensors and Bluetooth communication are integrated. Therefore, quantify the iontophoretic diffusion and investigate the effect of different current densities in enhancing and controlling drug delivery is a primordial step. In vitro iontophoresis experiments were conducted using Franz diffusion cells. Iontophoresis was applied for 30 minutes at current density of 0.25, 0.5 and 0.75 mA/cm2. Samples (1 mL) were withdrawn every 30 minutes from the receptor compartment and replaced with fresh buffer and then analyzed using High Performance Liquid Chromatography (HPLC). The amount of lidocaine HCl delivered was 247 ± 19, 199 ± 14 and 115 ± 7.11 μg/cm2 for 0.75, 0.5 and 0.25 mA/cm2 respectively and 25.6 ± 3.02 μg/cm2 for passive diffusion. The amount is influenced by current density, and could be therefore enhanced, predicted and controlled by those parameters.

138292
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