205 - Nature et interactions de la matière

Diverses méthodes ont été développées dans la littérature pour le calcul approximatif ou exact des poids de Mayer. Mes travaux de recherche portent sur une modélisation combinatoire décrivant certains modèles (situations) physiques d'interaction entre des particules issus de la mécanique statistique. Je porte une attention particulière aux poids de Mayer et de Ree-Hoover de graphes pour le développement du viril dans le contexte d'un gaz imparfait. Ces poids sont des invariants de graphes et ils sont calculés à partir de volumes signés de polytopes convexes associés au graphes et leur calcul exact ou asymptotique recèle beaucoup de mystères au niveau combinatoire. Dans le cas d'un gaz à noyaux durs et à positions continues, l'utilisation de la méthode des homomorphismes de graphes permet le calcul exact du poids de Mayer et de Ree-Hoover de certaines familles de graphes 2-connexes à l'aide de formules explicites. Finalement, nous présontons des relations entre les poids de Mayer et de Ree-Hoover.

À l’échelle nanométrique, le transport de charge est cohérent (quantique), et le couplage électro-mécanique est très fort, ce qui peut mener à de nombreuse applications en nanoélectronique. Nous étudions le transport de charge quantique dans des transistors suspendus (NEMS) de nanotube et de graphène. Nous présentons la fabrication et la spectroscopie électronique de dispositifs faits d’un nanotube de carbone (SWCNT) ou bien de graphène de dimensions aussi petites que 10 nm. Ces dispositifs sont fabriqués grâce à une méthode d’électromigration avec un contrôle feedback. Les échantillons sont suspendus et peuvent être recuits pour enlever les impuretés. Nous étudions le transport électronique dans ces transistors à un nanotube qui forme des boîtes quantiques de seulement quelques nanomètres, des cavités de Fabry-Pérot (transport balistique), et où l’on observe des températures de Kondo jusqu’à 28 K. Le couplage électron-vibron est extrêmement fort dans ces boîtes quantiques de SWCNTs, et nous observons des fréquences de vibrations mécaniques dépassant les 100 GHz. Le transport de charge dans nos échantillons de graphène démontre des transistors balistiques aussi petit que 20 nm et un transport cohérent sur des distances allant jusqu’à 1 micron. Finalement, nous discutons brièvement de nos objectifs d’utiliser le stress mécanique pour faire l’ingénierie du transport quantique dans ces dispositifs.

Nous proposons une étude du processus de double ionisation par absorption de deux photons de l’atome d’hélium avec des impulsions lasers intenses et brèves à dérive de fréquence.

Nos simulations numériques utilisent une approche non perturbative basée sur la résolution spectrale de l’équation de Schrödinger dépendante du temps pour un système atomique à deux électrons actifs. Dans nos travaux précédents, nous avons montré les effets de la dérive de fréquence laser sur les processus d’ionisation et d’excitation dans l’atome d’hydrogène [1-3].

Nous étudions ici l’influence du paramètre de dérive de fréquence sur les processus séquentiel et direct de la double ionisation à deux photons. Nous montrons que le signe et l’amplitude du paramètre de dérive de fréquence influencent de façon significative la probabilité d’ionisation totale, ainsi que les distributions énergétiques des électrons éjectés. En ajustant le paramètre laser, il est possible de contrôler la dominance d’un processus par rapport à l’autre. Les impulsions lasers à dérive de fréquence sont des outils prometteurs pour sélectionner et contrôler les mécanismes d’ionisation séquentielle et directe dans l’atome d’hélium.

[1] S. Laulan, J. Haché, H. S. Ba and S. Barmaki, J. Mod. Phys. 4, 20 (2013)

[2] S. Barmaki, S. Hennani and S. Laulan, J. Mod. Phys 4, 27 (2013)

[3] S. Laulan, H. S. Ba and S. Barmaki, Can. J. Phys. 91, 1 (2013)

Nous présentons une étude sur les processus d’excitation et d’ionisation de molécules simples à l’aide d’impulsions laser intenses et brèves. Notre étude numérique est basée sur la résolution exacte de l’équation de Schrödinger dépendante du temps décrivant le mouvement de l’électron en présence du champ laser. Nous utilisons des impulsions lasers qui sont de fréquence centrale identique à la 7^éme harmonique du laser Titane-Saphir. Nous montrons comment nous avons modélisé la forme des impulsions lasers et optimisé leurs paramètres afin de mieux contrôler le processus de transfert de la population entre les états excités et ensuite vers les canaux ouverts de l’ionisation. Les impulsions lasers utilisées dans notre étude présentent la particularité d’être sélectives, ce qui est un avantage majeur sur les impulsions communément utilisées pour mieux contrôler l’interaction laser avec un système atomique ou moléculaire.

[1] S. Barmaki, S. Hennani and S. Laulan, J. Mod. Phys 4, 27 (2013)

[2] S. Laulan, H. S. Ba and S. Barmaki, Can. J. Phys. 91 (2013, in press)

Je considérerai le cas en 2+1 dimensions d’un vortex et sa généralisation en 3+1 dimensions en une corde cosmique. Le flux magnétique, contenu dans le vrai vide, sera séparé du faux vide par une paroi. Lorsque le flux magnétique emprisonné est grand, les vortex et les cordes présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. L’existence de vortex et de cordes classiquement stables sera d’abord établit numériquement, et l’amplitude de leurs taux de désintégration en une configuration classiquement instable sous l’expansion de leurs rayon sera estimée dans l’approximation semi-classique. L’analyse de l’espace des paramètres du modèle montrera dans quelles conditions les vortex et les cordes auront un impact sur la stabilité du faux vide.

Je présenterai l’impact possible des défauts topologiques sur le taux de désintégration par effet tunnel d’un faux vide (minimum relatif d’un potentiel) vers un vrai vide (minimum absolu). Dans un tel potentiel, le faux vide est métastable du point de vue de la mécanique quantique sous la formation de bulles de vrai vide, mais le taux de désintégration peu être très long. L’existence d’objets topologiques peut potentiellement être une source additionnelle de métastabilité car ces derniers sont des solutions reliant deux minimums distincts d’un potentiel. L’objectif est d’évaluer si cette voie alternative de désintégration s’avère être plus rapide que la désintégration spontanée.

Les peptides synthétiques fabriqués à l’aide d’acides aminés naturels sont de plus en plus utilisés comme agents thérapeutiques, mais leur utilisation comme médicaments est limitée par différents facteurs inhérents à leur nature protéinique, soit leur dégradation rapide par les protéases présentes dans l’organisme et leur excrétion rapide par les reins. Face à ces limites, les peptides constitués d’acides aminés non naturels, plus résistants à la dégradation et à l’excrétion, représentent une voie d’avenir pour développer de nouveaux médicaments. Mon projet est de préparer, à l’aide d'une suite de 4 réactions, une classe particulière d’acides aminés, les prolines quaternaires. Il est primordial de mettre au point des méthodes de synthèse, car ces composés, de par leur structure cyclique, sont utilisés, entre autres, pour étudier les relations structure-activité visant à mieux comprendre les conformations actives de différents peptides et protéines. La méthodologie proposée pour former ces prolines quaternaires est simple (schéma 1). La séquence consiste en i) une réaction d’iodation (formation de 2), ii) deux couplages au cuivre (formation de 3 et 4) et iii) d’un réarrangement de Claisen (formation de 5). Deux réactions simples permettent l'obtention du produit désiré 6. Les résultats préliminaires de cette synthèse seront présentés lors du congrès.

La femto(10^-15s)-chimie a comme objectif primaire de suivre l'évolution nucléaire et électronique d'une molécule dans le temps et l'espace lors d’une réaction chimique. L’évolution structurale d’une molécule est généralement suivie par diffraction des électrons ou des rayons X. Ces techniques sont, cependant, insensible aux changements structurels irréguliers dans une petite molécule isolée en phase gazeuse. L’imagerie par Explosion Coulombienne (CEI) permet l'observation de ces changements sur une échelle temporelle femtoseconde avec une résolution spatiale atomique. Jusqu'à présent, des phénomènes tels que le transfert de protons dans le cation acétylène ne pouvaient être observés qu’en utilisant la lumière dans l'ultraviolet lointain d'un laser à électrons libres (FEL). Nous montrons que des impulsions laser ultracourtes à 266 nm sont capables d'initier des dynamiques moléculaires très riches via l’ionisation multiphotonique. En utilisant la technique CEI, nous avons produit le premier ‘’film moléculaire’’ à haute résolution d’une réaction d'isomérisation dans le cation acétylène.

Notre laboratoire a développé un outil de synthèse efficace pour la préparation d’acides aminés non naturels en utilisant deux couplages catalysés au cuivre (CCC) consécutifs suivis par un réarrangement de Claisen. Dans cette étude, nous voulons démontrer la polyvalence de cet outil de synthèse en l’appliquant à la préparation de squelettes pyrrolizidiniques (4, n=1) et indolizidiniques (4, n=2). Notre stratégie comporte un CCC intramoléculaire sur des lactames diiodées insaturées (1 ; préparées à partir de lactames propargylées disponibles). Les composés bicycliques obtenus (2) peuvent alors subir un CCC intermoléculaire avec un alcool allylique pour produire des β-allyloxyénamides (3). Ces derniers, lorsque chauffés, procèdent à un réarrangement de Claisen et mènent aux intermédiaires 4. Suite à quelques transformations, ces intermédiaires peuvent produire différentes izidines. Nos travaux ont démontré que le premier CCC intramoléculaire permet de préparer différents composés bicycliques (2) avec de bons rendements allant de 8% à 69% lorsque n=1 et allant de 2% à 30% lorsque n=2. L’étude du second CCC intermoléculaire, via une molécule modèle, permet d’obtenir directement le produit de réarrangement avec un rendement de 9% sur deux étapes. Ces résultats démontrent donc que l’outil de synthèse peut s’appliquer à la synthèse d’alcaloïdes izidines. La synthèse racémique de ces squelettes est en cours et les travaux futurs se concentreront sur leur synthèse énantiomérique.

Le MDI est un produit chimique reconnu comme étant un agent sensibilisant causant de l’asthme professionnel. Dans l'industrie, durant l’application des produits à base de MDI, des vapeurs et des aérosols sont émis à l’air menant à une exposition professionnelle des travailleurs. Certaines études comparatives d'échantillonnage de l’air ont démontré que les dispositifs d’échantillonnage par filtre et par barbotage ne sont pas adéquats pour l'échantillonnage des aérosols de MDI. Ces limitations exigent l'élaboration d'une nouvelle méthode d'échantillonnage des aérosols de MDI. Afin de surmonter ces limitations, il est envisagé de modifier et d’optimiser un capteur individuel de polluants microbiologiques CIP10M. Ce dispositif utilise un liquide d’échantillonnage composé d’un co-solvant et d’un agent de dérivation. Pendant le prélèvement, les aérosols de MDI échantillonnés se dissolvent dans le co-solvant et sont dérivés directement par l'agent de dérivation. Le co-solvant choisi dans le CIP10M est le diméthylpolysiloxane et l'agent de dérivation est le 1-(2-méthoxyphényl) pipérazine (MOPIP). La réactivité du monomère et des oligomères de MDI avec l’agent de dérivation dans le diméthylpolysiloxane et le protocole d’extraction ont été optimisés en laboratoire. De plus, les performances analytiques ont été établies. La méthode dans les présentes conditions optimisées en laboratoire semble appropriée pour l'échantillonnage des aérosols de MDI dans l’air.

Les dernières années ont vu grandir un mouvement d'accréditation des méthodes analytiques dans les laboratoires de toxicologie judiciaire. Le Scientific Working Group in Toxicology (SWG-TOX, groupe américain) a publié en septembre 2013 sa ligne directrice sur les procédures à appliquer lors de la validation de méthodes. Ce document contient toutefois très peu d'informations sur la procédure adéquate pour déterminer et valider un modèle de calibration.

Nous avons donc créé un processus de travail à cet effet. Un test de Grubbs doit être appliqué pour identifier et éliminer les données aberrantes. Un test F est ensuite appliqué pour vérifier si les données sont hétéroscédastiques, et donc s'il faut appliquer une pondération au modèle (ex. 1/x). Le choix d'un modèle quadratique ou linéaire est basé sur le calcul de l'intervalle de confiance autour de la pente d'ordre 2. Finalement, le modèle est validé par l'analyse des résiduels et le test ANOVA lack-of-fit, qui vérifie l'exactitude de prédiction du modèle.

Ce processus a été appliqué à la validation de 5 drogues de différentes familles analysées par LC-MS/MS: amphétamine, clonazépam, cocaïne, morphine et THC. Le modèle de calibration choisi (ex. quadratique pondéré) varie selon l’analyte et a été confirmé par l'ANOVA lack-of-fit (p= 0.242 à 0.999).

Ce schéma de validation de modèle de calibration peut être appliqué à toutes les techniques instrumentales et tous les analytes.

Lors de l’utilisation de la radiation pour le diagnostic et le traitement du cancer, l’ADN est une cible importante due à son rôle dans la division cellulaire. La radiation y dépose de l’énergie par production abondante (10⁵/MeV) d’électrons de basse énergie (EBE) (<50 eV) menant à la production de radicaux et à la dissociation de molécules. Une meilleure compréhension de ces phénomènes physico-chimiques mènera au développement de nouvelles stratégies en radioprotection et en radiothérapie. Il est primordial d’identifier et de quantifier ces dommages initiaux. Des expériences sur des couches minces d’ADN irradiées par des EBE dans le vide suggèrent que certains produits désorbent en quantité significative. Nous proposons une méthode pour mesurer cette perte en utilisant une balance à quartz pour mesurer in situ les changements de masse totale. À 25°C, le taux de perte de masse spontanée des échantillons joue un rôle important pour les petites molécules (126 amu). L’irradiation augmente d’abord ce taux qui diminue d’un facteur 5 à 15 après une exposition prolongée, signe de modifications notables de l’échantillon. En refroidissant, il est possible d’éliminer la composante thermique et de calculer les sections efficaces de désorption électronique. Cette méthode, nécessaire à la calibration d’autres expériences réalisées par HPLC et spectrométrie de masse, permet de compléter la quantification des fragments, qui peuvent également être à l’origine de lésions subséquentes.

Détecter et corriger les perturbations de l'ADN est de nos jours une voie prometteuse pour soigner diverses maladies qu'elles soient génétiques ou acquises. L'essor de la thérapie génique est lié au développement de vecteurs de gènes qui seraient capables de franchir, sans se dégrader, les différentes barrières biologiques, notamment la barrière endosomale. Il serait donc utile de mettre au point de vecteurs qui tirent profit de changements environnementaux dans des zones particulières du corps (pH, enzymes, etc…) pour délivrer leurs gènes thérapeutiques.

Pour contourner la dégradation endosomale, nous nous proposons de concevoir, de synthétiser et d'évaluer des liposomes pH-sensibles pour le transfert de gènes. Pour ce faire, une banque de lipides cationiques est synthétisée à partir d'une bascule moléculaire. Cette dernière permettra de contrôler, en fonction du pH du milieu, la complexation et la liberation des acides nucléiques.

Ces lipides sont ensuite formulés sous forme de liposomes. L'influence de leur structure sur leur taille, leur charge de surface ainsi que leur capacité de fusion seront étudiées.

Dans un second temps des études par spectroscopie de fluorescence ou par microscopie de fluorescence permettront d’observer et de quantifier le piégeage des acides nucléiques par ces vecteurs, la pénétration cellulaire, la distribution intracellulaire des acides nucléiques relargués ainsi que l’efficacité́ globale de la transfection en fonction du pH.

Un des enjeux scientifiques d’aujourd’hui concerne l'élaboration contrôlée de matériaux à structures hiérarchisées, matériaux organisés sur plusieurs échelles de taille et en particulier à l’échelle nanométrique. La chimie supramoléculaire utilise le principe selon lequel des ‘’briques moléculaires’’ s’autoassemblent pour former des structures bien définies en 1D, 2D ou 3D.

La conception de solides aux propriétés désirées repose sur la base de notre compréhension et de l'exploitation des interactions intermoléculaires. L’étude des structures cristallines permet d’accroître nos connaissances dans ce domaine. Nous décrivons ici une analyse structurale par diffraction des rayons X de quelques dérivés comportant des fonctions alcynes ou diynes. Les principales interactions décrites concernent les ponts H (CC-H•••O=C ou N-H•••O=C) ainsi que les interactions halogènes (CC-Br•••O=C ou CC-Br•••p).