identifier: Tiwari, Bhagyashree  (2020). Hospital wastewater treatment in submerged membrane bioreactor and its influence on inhabiting microbiome.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 286 p.

subject:
produits pharmaceutiques
eaux usées d’hôpitaux
bioréacteur à membrane immergée
communauté microbienne
mécanisme d'élimination
pharmaceuticals
hospital wastewater
submerged membrane bioreactor
microbial community
removal mechanism

abstract:
La présence des produits pharmaceutiques et de leurs métabolites dans l'environnement est inquiétante. Les hôpitaux sont une source ponctuelle de rejets pharmaceutiques dans les eaux usées. Le traitement simultané des eaux usées d’hôpitaux (EUH) et des eaux usées municipales entraîne une élimination inefficace des résidus pharmaceutiques, car les stations de traitement des eaux usées municipales (STEP) sont conçues pour dégrader les polluants conventionnels. Le traitement séparé des effluents hospitaliers empêche non seulement la dilution des produits pharmaceutiques, mais offre également la possibilité de développer un système de traitement dédié à l'élimination des résidus pharmaceutiques. L'élimination des résidus pharmaceutiques dans les stations de traitement des eaux usées est régie par deux processus : l’adsorption et la biodégradation. Une concentration élevée de biomasse dans le bioréacteur à membrane (BRM) en raison du temps de rétention des boues (TRS) plus long augmente l'élimination des micropolluants par adsorption. Le BRM favorise les contacts prolongés avec les communautés microbiennes dégradantes, ce qui facilite la sécrétion des enzymes cataboliques et l'élimination ultérieure des produits pharmaceutiques des eaux usées. L'efficacité et la robustesse de la technologie BRM reposent sur la structure et la composition des communautés microbiennes vivant dans les boues. Les paramètres de fonctionnement tels que le temps de rétention hydraulique (TRH), le temps de rétention des boues (TRS), le pH, la température et la configuration du réacteur déterminent les performances du système BRM.
Cette étude visait l'optimisation des paramètres opérationnels du bioréacteur à membrane immergée (BRMi) pour le traitement des eaux usées d’hôpitaux. Le devenir des polluants pharmaceutiques, lors du traitement des eaux d’hôpitaux et les principaux mécanismes d'élimination ont été étudiés. La présente étude met l'accent sur l'identification de la communauté microbienne impliquée dans la dégradation des polluants pharmaceutiques. Initialement, les eaux usées synthétiques enrichies de polluants pharmaceutiques ont été utilisées pour optimiser le TRH et le TRS du BRMi. Les résultats ont montré que le TRH de 18h et le TRS de 100j sont les conditions de traitement optimales pour l'élimination des résidus de médicament. L'analyse de la communauté bactérienne révèle que l'ajout de produits pharmaceutiques dans les eaux usées a entraîné un changement dans la communauté bactérienne. Les longs TRS facilite la prolifération des bactéries à croissance lente et nitrifiantes. Avant le traitement des EUH réelles, la biomasse du BRMi était acclimatée en utilisant un mélange d'eaux usées synthétiques et d'eaux usées réelles d’hôpitaux. L'étude d'acclimatation révèle un changement dans la composition de la communauté microbienne avec le temps. La prédominance des communautés bactériennes pathogènes et dégradantes telles que Mycobacterium, Pseudomonas et Zoogloea était évidente à un stade ultérieur de l'acclimatation. Le traitement des EUH réelles à TRH et TRS optimisés a montré une élimination efficace de l'ibuprofène, de l'hydroxy-ibuprofène, de l'estrone, de la caféine, du sulfaméthoxazole et de la clarithromycine. Parmi les 12 produits pharmaceutiques étudiés, l'élimination du diclofénac, de l'hydroxydiclofénac, de la venlafaxine, de la desvenlafaxine et de la carbamazépine était faible. L'analyse de la communauté microbienne révèle que les divers contaminants des EUH (produits pharmaceutiques, métabolites, solvants et agents pathogènes) induisent une transformation de la communauté microbienne du BRMi de manière à favoriser une dégradation maximale des contaminants récalcitrants. La forte abondance de la communauté bactérienne dégradante dans BRMi confirme l'hypothèse que des conditions de traitement optimisées favorisent la prolifération de consortiums microbiens uniques et efficaces.
L'impact de la température sur l'élimination des polluants pharmaceutiques démontre que les performances globales du BRMi diminuent à basse température. La température de fonctionnement optimale de 20°C a été recommandée pour le traitement des EUH. La diminution de la population bactérienne nitrifiante était corrélée à la diminution des performances du BRMi à basse température. L'étude sur le devenir des polluants pharmaceutiques révèle que la biodégradation était le principal mécanisme d'élimination des produits pharmaceutiques dans BRMi. Une baisse de la température (10°C) de fonctionnement du BRMi a entraîné une diminution de l'élimination des produits pharmaceutiques par biodégradation, indiquant une inhibition de la croissance microbienne à basse température. L'étude a été l'une des premières tentatives d'analyse de la communauté de micro-eucaryotes de BRMi traitant les EUH et a révélé une abondance de ciliés parasites et de la communauté fongique. Actuellement, la prédiction du rôle de la communauté des micro-eucaryotes dans la dégradation pharmaceutique est difficile et indique la nécessité d'une investigation approfondie.

The presence and prevalence of pharmaceuticals and their metabolites in the environment are worrisome. Hospitals are the point source of pharmaceutical release in wastewater. The co-treatment of hospital wastewater (HWW) with municipal wastewater results in-appropriate removal of pharmaceuticals as municipal wastewater treatment plants (WWTP) are designed to degrade conventional pollutants. The separate treatment of hospital effluent not only prevents the dilution of pharmaceuticals but also provides the opportunity to develop a dedicated and specific treatment system for efficient removal of pharmaceuticals. The removal of pharmaceuticals in wastewater treatment plants is governed by two processes, i.e., either by sorption or biodegradation. High biomass concentration in membrane bioreactor (MBR) [due to longer sludge retention time (SRT) augments the removal of micropollutants via adsorption. MBR favors prolonged contact with degrading microbial communities, which facilitates the catabolic enzymes secretion and subsequent removal of pharmaceuticals from wastewater. The efficiency and robustness of MBR technology rely on the structure and composition of sludge-dwelling microbial communities. The operating parameters such as hydraulic retention time (HRT), sludge retention time (SRT), pH, temperature, and reactor configuration determines the performance of the MBR system.
This study intended toward the optimization of operational parameters of submerged membrane bioreactor (SMBR) for the treatment of hospital wastewater. During the treatment of pharmaceuticals, their fate in the treatment process and major removal mechanisms were investigated. The present study emphasizes the identification of microbial communities involved in the degradation of pharmaceuticals. Initially, synthetic wastewater spiked with pharmaceuticals was utilized to optimize the HRT and SRT of the SMBR. The result showed that the HRT of 18h and SRT of 100d are the optimum treatment condition for the removal of drug residues. The bacterial community analysis reveals that the addition of pharmaceuticals in wastewater has resulted in a shift in the bacterial community. The long SRT facilitates the proliferation of slow-growing and nitrifying bacteria.
Prior to the treatment of real HWW, the SMBR biomass was acclimatized using a mixture of synthetic wastewater and real hospital wastewater. The acclimatization study reveals a shift in microbial community composition with time. The dominance of pathogenic and degrading bacterial communities such as Mycobacterium, Pseudomonas, and Zoogloea was evident at the later stage of acclimatization. The treatment of real HWW at optimized HRT and SRT showed efficient removal of ibuprofen, hydroxy-ibuprofen, estrone, caffeine, sulfamethoxazole, and clarithromycin. Among the 12 studied pharmaceuticals, the removal of diclofenac, hydroxy- diclofenac, venlafaxine, desvenlafaxine, and carbamazepine was low. The microbial community analysis reveals that the various contaminants of HWW (pharmaceuticals, metabolites, solvent, and pathogen) shape the microbial community of the SMBR in such a way that leads to the maximum removal/ degradation of recalcitrant contaminants. The high abundance of degrading bacterial community in SMBR confirms the hypothesis that optimized treatment conditions favor the proliferation of unique and efficient microbial consortia.
The impact of temperature on pharmaceutical removal demonstrates that the overall SMBR performance reduces at low temperature. The optimum operating temperature of 20°C was recommended for the treatment of HWW. The decrease in nitrifying bacterial population correlated with the decline in SMBR performance at low temperature. The study on the fate of pharmaceuticals in SMBR reveals that the biodegradation was the major removal mechanism of the pharmaceuticals in SMBR. The low operating temperature of SMBR resulted in a decrease in pharmaceutical removal by biodegradation, indicating inhibition of microbial growth at low temperature. The study was one of the first attempts to analyze the micro-eukaryotes community of SMBR treating HWW and revealed an abundance of parasitic ciliates and fungal community. Currently, the prediction of the role of micro-eukaryotes community for pharmaceutical degradation is challenging and indicating the need of thorough and extensive investigation.


identifier: Attallah, Arnold  (1976). Régulation automatique de la puissance réactive.  Mémoire.  Maîtrise en science de l'énergie, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject: énergie

abstract:
Un système de contrôle automatique de la puissance réactive a été mis au point. Ce système de régulation est entièrement électronique. Le contrôle se fait par branchement débranchement de banques de condensateurs. Le système a été conçu de façon à pouvoir être facilement adapté
à différents types de charge de moyenne puissance (Mégawatt).


identifier: Benhocine, Amar  (2022). Système d’antenne intégré pour les applications micro-ondes et ondes millimétriques.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences des télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 75 p.

subject:
ULB
5G
radio cognitive
CPW
onde millimétrique
UWB
cognitive radio
millimeter wave

abstract:
Dans le cadre de ma maitrise, j’ai proposé un système d’antennes intégré utilisant un seul substrat, alimenté par un guide d’onde coplanaire (CPW). Ce système est composé de deux antennes : une antenne ultra-large (ULB) et une antenne millimétrique. Pour intégrer l’antenne millimétrique, la distribution du courant de l’antenne ultra-large a été exploitée. En l’intégrant dans une zone où le courant de surface est faible, on a optimisé l’usage de la surface du substrat. Ces antennes ont des coefficients de réflexion inférieurs à -10 dB, aux bandes de fréquences de 3,1 à 10,6 GHz pour l’antenne ultra-large et de 27,7 à 28,8 GHz pour l’antenne millimétrique. Par la suite, nous avons procédé à une amélioration de notre antenne millimétrique pour y intégrer à sa place un réseau d’antennes millimétrique. Cette modification a permis d’atteindre un gain de 10 dBi. L’isolation entre l’antenne millimétrique et l’antenne ultra-large, ainsi que leur gain et leur diagramme de rayonnement les rendent souhaitables pour des applications en communication sans fil en intérieurs. L’antenne (ULB) pourrait servir à la détection du spectre, tandis que l’antenne millimétrique pourrait servir aux applications 5G.

As part of my master’s degree, I have proposed an integrated antenna system using a single substrate, feed by a coplanar waveguide (CPW). This system is composed of two antennas: an ultra-wide antenna (UWB) and a millimeter antenna. To integrate the millimeter antenna, the current distribution of the ultra-wide antenna was explored. By integrating the mm wave antenna in the area where the surface current is low, we have optimized the use of the surface of the substrate. These antennas have reflection coefficients of less than -10 dB, at the frequency bands from 3.1 to 10.6 GHz for the ultra-wide antenna and from 27.7 to 28.8 GHz for the millimeter antenna. Thereafter, the position of the millimeter-wave antenna was optimized. This modification achieves a gain of 10 dBi. The isolation between the millimeter-wave antenna and the ultra-wide antenna, as well as their gain and radiation pattern, make them suitable for indoor wireless communication applications. The antenna (UWB) could be used for spectrum sensing, while the millimeter antenna could be used for 5G applications.


identifier: Bizeray, Elène  (2022). Synthèse et caractérisation optique de nanoparticules d’or couplées avec un matériau thermochrome dopé au tungstène.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 119 p.

subject: plasmonique

subject: nanoparticules d’or

subject: thermochrome

subject: dioxyde de vanadium dopé au tungstène et non dopé

subject: détermination de l’absorbance

subject: plasmonics

subject: gold nanoparticles

subject: thermochromic

subject: tungsten-doped and undoped vanadium dioxide

subject: absorbance determination

abstract:
Les nanoparticules d’or sous irradiation lumineuse sont le siège du phénomène de résonance de plasmon de surface localisé (LSPR) et peuvent agir comme sources thermiques locales en convertissant l’énergie lumineuse absorbée en chaleur. Les matériaux thermochromes présentent une transition de phase d’un état isolant vers un état métallique à une température de transition TIMT. Dans le cas du dioxyde de vanadium, la valeur de la TIMT est de 68°C. Ce changement de phase est accompagné par une variation importante de la transmission, en particulier dans le domaine de l’infrarouge et par celle de la résistivité électrique. En couplant des nanoparticules d’or avec un matériau thermochrome, il est alors possible de concevoir des dispositifs contrôlables optiquement. Cependant, pour faciliter le développement d’applications à base de VO₂ et de nano-objets plasmoniques, il faudrait induire la transition de phase à une température inférieure à 68°C. Ceci est rendu possible grâce au dopage du VO₂. Le tungstène est considéré comme un des dopants métalliques les plus efficaces. En effet, il permet d’abaisser la température de transition de l’ordre de 24°C/at.%. Dans ce travail, plusieurs configurations de couplage entre les nanoparticules d’or et le dioxyde de vanadium dopé au tungstène sont explorées pour la première fois et les résultats sont comparés au matériau non dopé. La synthèse des couches minces de VO₂ et de VO₂ dopé au tungstène est réalisée par ablation laser pulsée en configuration « faisceaux croisés » pour obtenir une couche d’excellente qualité. La fabrication des différents réseaux d’or fait appel à différentes techniques de nanofabrication à savoir, la lithographie par faisceau d’électron, la gravure par plasma et l’évaporation. Par la suite, ces différents réseaux ont été caractérisés optiquement soit la détermination de la variation de leur absorbance en fonction de la longueur d’onde. Ces réseaux consistent, en particulier, de plots d’or de 50 nm à 200 nm, distancés de 250 nm et déposés sur ou incorporés dans des couches minces d’oxyde de vanadium dopé. Ces mesures optiques confirment la modulation de la LSPR selon les différentes configurations de couplage. Elles permettent aussi de mettre en évidence l’efficacité du dopage pour atteindre des températures de transition proches de la température ambiante.

 Gold nanoparticles under light irradiation are the seat of the localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon and can act as local heat sources by converting absorbed light energy into heat. Thermochromic materials exhibit a phase transition from an insulating state to a metallic state at a transition temperature TIMT. In the case of vanadium dioxide, the value of TIMT is 68°C. This phase change is accompanied by an important variation of the transmission, in particular in the infrared range, and by that of the electrical resistivity. By coupling gold nanoparticles with a thermochromic material, it is then possible to design optically controllable devices. However, to facilitate the development of applications based on VO₂ and plasmonic nano-objects, it would be necessary to induce the phase transition at a temperature below 68°C. This is made possible by doping the VO₂. Tungsten is considered as one of the most efficient metallic dopants. Indeed, it allows lowering the transition temperature of about 24°C/at.%. In this work, several coupling configurations between gold nanoparticles and tungsten doped vanadium dioxide are explored for the first time and the results are compared to the undoped material. The synthesis of VO₂ and tungsten doped VO₂ thin films is performed by pulsed laser ablation in a "crossed beam" configuration to obtain a layer of excellent quality. The fabrication of the different gold gratings uses different nanofabrication techniques such as electron beam lithography, plasma etching and evaporation. Thereafter, these various networks were optically characterized by determining the variation of their absorbance according to the wavelength. These gratings consist, in particular, of gold dots of 50 nm to 200 nm, spaced 250 nm apart and deposited on or incorporated in thin layers of doped vanadium oxide. These optical measure ments confirm the modulation of the LSPR according to the different coupling configurations. They also allow highlighting the efficiency of the doping to reach transition temperatures close to room temperature.


identifier: Hammat, Saïd  (2022). Élaboration d’alliages ternaires métastables et de films sandwichs à base de métaux du groupe du platine pour l’électro-oxydation de l’ammoniaque.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 119 p.

subject:
ablation par laser pulsé
couches minces
métaux du groupe de platine
électro-oxydation de l’ammoniaque
densité de courant anodique maximal
potentiel d’activation
pulsed laser deposition
thin films
platinum group metals
electro-oxidation of ammonia
anodic peak current density
onset potential

abstract:
L’augmentation continue de nos besoins énergétiques et le réchauffement climatique sont les facteurs principaux qui poussent les scientifiques à chercher des sources énergétiques plus robustes, non polluantes, durables et peu chères. Les piles à combustibles à base d’ammoniaque sont l’une des solutions prometteuses dues aux propriétés remarquables de l’ammoniac. En effet, par rapport à l’hydrogène, ce dernier possède une densité énergétique plus élevée, un stockage et un transport moins couteux et plus sécuritaires, et son oxydation donne des produits non polluants. Cependant, les anodes des présentes piles sont caractérisées par une faible densité de courant, un potentiel d’activation élevé, une faible stabilité et sont couteuses. Des études ont montré que le platine est l’élément le plus actif pour la réaction d’électro oxydation de l’ammoniaque. De plus, cette réaction est fortement favorisée par les larges terrasses orientées (100). D’autres travaux ont trouvé que l’ajout d’éléments du groupe du platine, particulièrement l’iridium et lerhodium, ont tendance à améliorer la densité de courant anodique maximal, réduire le potentiel d’activation de cette réaction et augmenter la stabilité des électrodes. À partir de cela, on s’est demandé : (i) s’il était possible de déposer par ablation laser pulsé des films à base de l’alliage ternaire Pt1-x-yIrxRhy et des films sandwichs Pt/Ir/Pt orientés (100) ainsi que des siliciures polycristallins à base des métaux du groupe du platine; et (ii) s’ils étaient la solution aux faibles caractéristiques cités ci-dessus. Les résultats obtenus à travers notre étude montrent que non seulement il est possible d’obtenir de tels films, mais aussi que des activités trois fois plus élevées et des potentiels d’activation jusqu’à 0.150V plus négatifs que le platine peuvent être atteint.

The continuous increase of our energy needs accompanied by the dramatic consequence of global warming are the main factors that push scientists to look for more robust, non-polluting, sustainable and cheap energy sources. Ammonia-based fuel cells are one of the promising solutions due to the remarkable properties of ammonia. Indeed, compared to hydrogen, it has a higher energy density, is cheaper and safer to store and transport; and its oxidation gives non-polluting products. However, the anodes of the present fuel cells are characterized by a low current density, a high activation potential, a weak stability and are expensive. Studies have shown that platinum is the most active element for the electro-oxidation reaction of ammonia. In addition, this reaction is strongly enhanced by large terraces oriented (100). Other works have found that the addition of platinum group elements, particularly iridium and rhodium, tend to improve the maximal anodic current density, reduce the activation potential of this reaction and increases the stability of the electrode. From this, we wondered: (i) if it is possible to deposit by pulsed laser ablation films made of Pt1-x-yIrxRhyternary alloy and Pt/Ir/Pt sandwiches oriented (100) as well as polycrystalline silicides of platinum group metals; and (ii) if they are the solution to the weak characteristics listed above. The results of our study show that not only it is possible to obtain such films, but also that catalytic activities three times higher and activation potentials up to 0.150V more negative than platinum can be achieved.


identifier: Jehn, Johannes  (2022). Printed memory, battery, and sensors for autonomous systems.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 162 p.

subject:
électronique imprimée
impression jet d’encre
commutation résistive
batteries imprimées
capteur de contrainte
capteur d’humidité
capteur de température
systèmes autonomes
printed electronics
inkjet printing
resistive switching
printed batteries
strain sensor
humidity sensor
temperature sensor
autonomous systems

abstract:
L’électronique imprimée offre un énorme potentiel pour les processus de fabrication personnalisés et à faible coût sur des substrats flexibles en vue de la réalisation de l’Internet des objets (IoT). Les techniques d’impression permettent un dépôt précis d’encres fonctionnelles sur une variété de substrats tels que des feuilles, du tissu ou du papier tout en conservant leurs propriétés flexibles. Les éléments constitutifs de l’IdO sont les interconnexions imprimables, les entrées/sorties, la logique, les cellules de mémoire, les capteurs et le stockage d’énergie. Même si la recherche sur les composants entièrement imprimés a rapidement progressé ces dernières années, la compatibilité, la facilité de fabrication et la compréhension détaillée sont toujours limités pour de nombreux composants. Divers matériaux et processus doivent être ajustés pour permettre une fabrication parfaite, tandis que l’interaction entre les composants est cruciale pour toute application ; tout cela nécessite une compréhension microscopique des mécanismes. Cette thèse vise l’intégration de multiples constituants imprimés afin de réaliser un système autonome. Les mécanismes de transport de courant, les structures et l’intégration des mémoires, des capteurs et des batteries sont analysés par des méthodes microscopiques et électriques. Les cellules de mémoire résistive consistent en une structure à trois couches, où un matériau isolant est pris en sandwich entre deux électrodes conductrices. La configuration la plus simple la rend particulièrement adaptée aux processus d’impression. Un filament métallique peut être formé et dissous par l’application de différentes tensions et, par conséquent, la modification de la résistance entre les électrodes est utilisée pour stocker des informations. Des approches d’impression complète ou hybride sont utilisées pour créer des cellules de mémoire en Ag/Spin-on-Glass/Ag ainsi qu’en Cu/CuxS/C. Elles présentent une très faible consommation d’énergie (1pJ par commutation) et permettent d’ingénier la formation du filament pour stocker plus d’un bit dans chaque cellule en contrôlant le filament par la conformité du courant. Pour alimenter la mémoire, une batterie planaire Zn/MnO2 sérigraphiée sur du PET flexible est fabriquée et présente des performances de pointe. Il est démontré que la batterie partage une électrode avec la mémoire et peut commuter l’état logique avec une longue rétention. Cette conception spécifique réduit le nombre d’étapes d’impression nécessaires ainsi que le matériel. Différents capteurs entièrement imprimés par jet d’encre sont présentés pour surveiller les changements de contrainte, de température et d’humidité relative. Une approche d’impression en deux étapes de nanotubes de carbone (CNT) et de PDMS permet une lecture piézo-résistive des régimes de déformation en tension et en compression. Les développements à long terme sur des milliers de cycles de flexion révèlent des mécanismes complexes de réorientation des CNT qui aideront au développement de futures applications basées sur les CNT. L’impression et le frittage de nanoparticules (NPs) de Cu par lumière pulsée intense (IPL) sont déterminés pour la réalisation d’un capteur de température semi-conducteur CuxS. La transformation ultérieure de Cu en CuxS est réalisée par un dépôt local de Na2S et les changements structurels au cours de ces processus sont étudiés par microscopie électronique à balayage confocale et (faisceau ionique focalisé). Le CuxS semi-conducteur présente un coefficient de température de résistance négatif et est également utilisé pour la couche isolante des cellules de mémoire. Les structures Cu-NP frittées sont ensuite utilisées comme électrodes pour un capteur d’humidité imprimé. Ici, les NPs de WO3 sont déposées sur le Cu en forme de peigne entrelacés et la réponse résistive exponentielle aux changements d’humidité relative est présentée.  Les différents composants sont finalement intégrés dans un seul dispositif afin de stocker les informations de température dans la mémoire. Ceci est réalisé en limitant le courant fourni par la batterie `a la cellule de mémoire par la tension d’un capteur de température. La résistance élevée (faible) du capteur à basse (haute) température réduit (augmente) le flux de courant à travers la mémoire, ce qui entraîne un filament plus fin (plus épais), déterminant l’état logique résistif de celui-ci. En conclusion, dans le cadre de cette thèse, des composants entièrement imprimés sont présentés qui ouvrent la voie à des dispositifs personnalisés à faible coût pour des appareils flexibles et intelligents qui sont essentiels pour l’IdO.

Printed electronics offer tremendous potential for customizable, low-cost fabrication processes on flexible substrates contributing to the realization of the Internet of Things (IoT). Printing techniques allow for the precise deposition of functional inks on various substrates such as foils, fabric, or paper while maintaining their flexible properties. Building blocks towards IoT are printable interconnections, input/output, logic, memory cells, sensors, and energy storage. Even though the research towards fully printed components has rapidly progressed within the last years, compatibility, facile fabrication, and detailed understanding are still missing for many components. Various materials and processes need to be adjusted to allow seamless fabrication. The interplay between components is crucial for any application, all of which require a microscopic understanding of the underlying mechanisms. This thesis aims to integrate multiple printed constituents to achieve an autonomous system. Microscopic and electrical methods analyze the underlying mechanisms, structures, and integration of memories, sensors, and batteries. Resistive memory cells consist of a three-layered structure, where an insulating material is sandwiched between two conductive electrodes. The simplest setup makes it particularly suitable for printing processes. A metallic filament can be formed and dissolved by applying different voltages, and hence, the change in resistance between the electrodes stores the information. Fully or hybrid printing approaches use Ag/Spin-on-Glass/Ag and Cu/CuxS/C setups to create memory cells. They exhibit very low power consumption (1 pJ per switching) and allow engineering the filament formation to store more than one bit within each cell by controlling the filament size through the compliance current. A planar screen-printed Zn/MnO2 battery on flexible PET is fabricated to power the memory and exhibits state-of-the-art performance. It is shown that the battery shares one electrode with the memory and can switch the logical state with long retention. This specific design reduces the number of necessary printing steps and materials. Different fully inkjet-printed sensors are presented to monitor strain, temperature, and relative humidity changes. A two-step printing approach of carbon nanotubes (CNTs) and PDMS allows for piezoresistive read-out of tensile and compressive strain regimes. Long-term developments over thousands of bending cycles reveal complex reorientation mechanisms of CNTs that will aid the development of future CNT-based applications. Printing and sintering of Cu-nanoparticles (NPs) by intense pulsed light (IPL) is achieved to create a semiconducting CuxS temperature sensor. The subsequent transformation of Cu to CuxS is realized by local deposition of Na2S(aq) , and structural changes during these processes are investigated through confocal and (focused ion beam) scanning electron microscopy. The semiconducting CuxS exhibits a negative temperature coefficient of resistance and is also used for the insulating layer of the memory cells. Sintered Cu-NP structures are further utilized as electrodes for a printed humidity sensor. Here, WO3-NPs are deposited on interlacing comb-shaped Cu fingers, and the exponential resistive response to changes in relative humidity is presented. The different components are eventually integrated into one device to store temperature information in the memory. This is achieved by limiting the current provided by the battery to the memory cell through a temperature sensor. The high (low) resistance of the sensor at low (high) temperatures reduces (increases) the current flow through the memory, resulting in a thinner (thicker) filament, determining its resistive logical state. In conclusion, this thesis presents fully printed components that pave the way for customizable low-cost devices for flexible and smart devices critical for IoT.


identifier: Ji, Penghui  (2022). On-surface synthesis of organometallic and carbon-based nanostructures in ultrahigh vacuum.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 171 p.

subject: synthèse en surface

subject: nanorubans de graphène

subject: polymères pi-conjugués

subject: réaction de désulfuration

subject: microscopie à effet tunnel

subject: théorie de la fonctionnelle de la densité

subject: on-surface synthesis

subject: surface-confined Ullmann-type coupling

subject: graphene nanoribbons

subject: π-conjugated polymers

subject: desulfurization reaction

subject: scanning tunneling microscopy

subject: x-ray photoelectron spectroscopy

subject: density functional theory

abstract:
Les nanomatériaux à base de carbone de faible dimension ont attiré une grande attention en raison de leurs propriétés attrayantes, notamment des bandes interdites accordables et des mobilités de porteurs de charge élevées. Au cours des dernières décennies, la synthèse en surface a été identifiée comme une stratégie prometteuse pour produire des nanomatériaux de faible dimension avec la structure et les propriétés ciblées. Dans cette thèse, nous avons étudié la synthèse en surface en utilisant le microscope à effet tunnel et la spectroscopie photoélectronique à rayons X, soutenue par des calculs et des simulations de la théorie fonctionnelle de la densité. En raison de sa polyvalence dans la synthèse de polymères conjugués atomiquement précis, le couplage de type Ullmann a été l'une des réactions de surface les plus étudiées. Le dépôt d'halogénures d'aryle sur Cu(111) entraîne la formation d'un intermédiaire organométallique (OM), qui peut ensuite se transformer en polymères couplés C-C après chauffage. Cependant, seuls quelques travaux ont examiné les influences de co-adsorbats supplémentaires sur le couplage de type Ullmann. Par conséquent, l'un de nos objectifs est d'étudier les effets de l'oxygène co-adsorbé sur le couplage de type Ullmann confiné en surface. En introduisant de l'oxygène chimisorbé avant ou après le dépôt de 4,4'-dibromo-p-terphényle sur Cu(111), au lieu de la formation de polymère unidimensionnel (1D) en l'absence d'oxygène, les chaînes OM formées se transforment en réseaux OM bidimensionnels (2DOM), où les clusters Cu-O en tant que nœuds connectent les segments OM. La même transformation en réseaux 2DOM mais avec des unités répétitives plus petites peut être réalisée avec un précurseur plus court, le 1,4-dibromobenzène. De plus, nous avons étudié les effets de la symétrie du substrat sur cette transformation structurelle sur Cu(100) symétrique quadruple. En conséquence, la taille et la symétrie des réseaux 2DOM peuvent être ajustées de manière flexible, illustrant une technique de modélisation de surface polyvalente avec des applications potentielles dans la chimie hôte-invité. En tant que principal exemple de nanomatériaux de carbone accessibles par couplage de type Ullmann, les nanorubans de graphène (GNRs) ont gagné en popularité en raison de leurs applications potentielles dans les dispositifs à semi-conducteurs et la spintronique. Ici, nous avons réalisé la synthèse de GNR à bords de fauteuil (AGNRs) par cyclodéshydrogénation latérale de poly-para-phénylène (3-AGNR) sur Cu(111). Inspirés par l'effet de l'oxygène sur l'activation de C-H, nous avons introduit de l'oxygène avant la cyclodéshydrogénation latérale du 3-AGNR. Cela a permis à la fusion latérale de se produire à une température inférieure de 180 K, mettant en évidence un effet catalytique prometteur de l'oxygène. Au-delà des GNR, nous avons exploré de nouvelles méthodes pour synthétiser différentes nanostructures à base de carbone. Nous avons utilisé la réaction de désulfuration des dérivés du thiophène pour synthétiser des polymères pi-conjugués et des acènes, qui peuvent être considérés comme les GNR à bords en zigzag les plus étroits. Nous avons démontré la formation de pentacène par désulfuration et cyclisation intramoléculaire du tétrathiénylbenzène sur Cu(111). Cependant, le nonacène ne se forme pas par cyclisation intramoléculaire répétée à partir du congénère étendu tétrakis(dithiényl)benzène. Au lieu de cela, des polymères en échelle exotiques 1D composés d'une alternance de fragments anthracène et annulène fusionnés sont produits par une combinaison de couplage C-C intra- et intermoléculaire. En un mot, nous avons exploré de nouvelles stratégies pour construire des nanostructures sur des surfaces et démontré la formation de réseaux organométalliques, de nanorubans de graphène et de polymères conjugués.

Low-dimensional carbon-based nanomaterials have drawn great attention due to their appealing properties including tunable bandgaps and high charge carrier mobilities. In recent decades, on-surface synthesis has been identified as a promising strategy to produce low-dimensional nanomaterials with the targeted structure and properties. In this thesis, we studied on-surface synthesis using scanning tunneling microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, supported by density functional theory calculations. Owing to its versatility in synthesizing atomically precise conjugated polymers, Ullmann-type coupling has been one of the most investigated surface reactions. Deposition of aryl halides on Cu(111) drives the formation of organometallic (OM) intermediates, which can further transform to C-C coupled polymers after heating. However, only a few works have examined the influences of additional co-adsorbates on Ullmann-type coupling. Therefore, one of our goals is to investigate the effects of co-adsorbed oxygen on surface-confined Ullmann-type coupling. By introducing chemisorbed oxygen before or after the deposition of 4,4″-dibromo-p-terphenyl on Cu(111), instead of the formation of one-dimensional (1D) polymer in the absence of oxygen, the formed OM chains transform to two-dimensional OM (2DOM) networks, with Cu-O clusters as the nodes connecting OM segments. The same transformation to 2DOM networks but with smaller repeating units can be achieved with a shorter precursor, 1,4-dibromobenzene. In addition, we studied the effects of substrate symmetry on this structural transformation on fourfold symmetric Cu(100). As a result, the size and symmetry of the 2DOM networks can be flexibly tuned, illustrating a versatile surface patterning technique with potential applications in host–guest chemistry. As the leading example of carbon nanomaterials accessible by Ullmann-type coupling, graphene nanoribbons (GNRs) have gained increasing popularity due to their potential applications in semiconductor devices and spintronics. Here, we achieved the synthesis of armchair-edged GNRs (AGNRs) through lateral cyclodehydrogenation of poly-para-phenylene (3-AGNR) on Cu(111). Inspired by the effect of oxygen on C-H activation, we introduced oxygen before the lateral cyclodehydrogenation of 3-AGNR. This enabled the lateral fusion to occur at a temperature lower by 180 K, highlighting a promising catalytic effect of oxygen. Beyond GNRs, we explored new methods to synthesize different carbon-based nanostructures. We used desulfurization reaction of thiophene derivatives to synthesize π-conjugated polymers and acenes, which can be viewed as the narrowest zigzag-edged GNRs. We demonstrated the formation of pentacene through desulfurization and intramolecular cyclization of tetrathienylbenzene on Cu(111). However, nonacene does not form by repeated intramolecular cyclization from the extended congener tetrakis(dithienyl)benzene. Instead, 1D exotic ladder polymers composed of alternating anthracene and fused annulene moieties are produced through a combination of intra- and intermolecular C-C coupling. In a word, we explored new strategies to construct nanostructures on surfaces and demonstrated the formation of organometallic networks, graphene nanoribbons and conjugated polymers.


identifier: Liu, Xianglei L  (2022). Development and Applications of Single-shot Compressed Optical-Streaking Ultrahigh-speed Imaging.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 159 p.

subject:
imagerie computationnelle
détection compressée
apprentissage en profondeur
détection de température
acquisition de données haute dimension
ultra-rapide photographie
computational imaging
compressed sensing
deep learning
temperature sensing
high-dimensional data acquisition
ultrahigh-speed photograph


identifier: Lombardo, Maria Elena  (2022). Development of a novel in vitro system for biomedical applications.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 209 p.

subject: énergie matériaux

abstract:
L'utilisation d'animaux dans la recherche scientifique et médicale a considérablement profité aux êtres humains. Bien que leur physiologie n'imite pas identiquement le corps humain, ils agissent comme de « modèles » parfaits pour étudier les maladies humaines et développer des nouveaux médicaments et traitements médicaux. Cependant, selon la "Food and Drug Administration (FDA)", seulement 8% des médicaments testés sur les animaux sont réputés être sûrs et efficaces pour un usage humain, tandis que 92% ne le sont pas. Ces taux d'échec extrêmement élevés ainsi que les coûts en augmentation pour le développement de médicaments ont conduit des nombreux chercheurs à remettre en question la valeur des études animales. Pour cette raison, au cours des trois dernières décennies, les scientifiques ont travaillé pour trouver des alternatives valables aux tests in vivo sur les animaux qui pourraient être plus efficaces, plus fiables et plus humaines. Le développement et l'utilisation de modèles in vitro, qui impliquent la croissance de cellules dans un environnement clos et contrôlé, sont rapidement devenus une alternative très populaire à l'expérimentation animale dans la recherche pharmaceutique et biomédicale. Parmi la variété d'approches in vitro étudiées au fil des ans, la culture cellulaire in vitro 3D a été proposée par la médecine régénérative et l'ingénierie tissulaire comme une étape cruciale et essentielle pour combler l’écart entre les résultats in vitro et in vivo dans les tests précliniques. En particulier, la culture cellulaire dynamique à l'aide de bioréacteurs a été considérée comme un bon intermédiaire entre l'approche statique in vitro conventionnelle et les études animales in vivo. La création d'un bioréacteur devrait se baser sur des observations de l'environnement natif, tout en essayant de reproduire, de manière contrôlée et évolutive, les nombreux et complexes stimuli sur le comportement cellulaire. Tous ces aspects rendent la création et l'utilisation des bioréacteurs un grand défi pour les bioingénieurs. En attendant, la nanotechnologie et les nanomatériaux entrent en jeu pour aider et améliorer les sciences de la vie au travers de la manipulation de la matière à l'échelle nanométrique. L’application de la nanotechnologie dans les domaines de la biologie et de la médecine a montré un impact positif énorme sur la santé humaine. La nanobiotechnologie a un potentiel extraordinaire pour les soins de santé: des nanoparticules peuvent être utilisées en tant que nouvelles sondes pour la bio-imagerie; en tant que biocapteurs potentiels; enfin, comme véhicules pour délivrer des médicaments plus efficacement et pour diagnostiquer les maladies in vitro plus rapidement et avec plus de sensibilité. Cette étude porte sur la conception et le développement d'un bioréacteur de perfusion à double flux avancé, dans lequel une perfusion à flux radial efficace et contrôlable est appliquée pour permettre la diffusion de nano-systèmes à travers des matrices polymères microporeuses. Au même temps, le travail proposé présente une vaste recherche concernant la synthèse de structures polymères "ad hoc" pour obtenir le modèle 3D in vitro le plus performant, ainsi que la production de nanoparticules puissantes et polyvalentes utiles pour de multiples applications en tant que sondes pour la bio-imagerie ou vecteurs de délivrance de médicaments. Avec la combinaison de micro- et nano-structures dans un environnement contrôlé, le bioréacteur est recommandé ici comme un potentiel appareil in vitro pour les tests de présélection de nouveaux médicaments et pour l'étude de nouvelles thérapies humaines avec moins de coûts/temps et moins de préoccupations éthiques par rapport aux modèles animaux in vivo.

 The use of animals in science and medicine research has significantly benefited human beings. Although their physiology does not identically mimic the human body, they act as perfect “models” for studying human diseases and developing potential new drugs and medical treatments. However, according to the U.S. Food and Drug Administration (FDA), just 8% of drugs tested on animals are considered safe and effective for human use, 92% are not. These extremely high failure rates together with dramatically rising costs in drug development have led many researchers to re-evaluate the value of animal studies. Because of that, over the past three decades scientists worked hard for finding valid alternatives to in vivo animal testing that could be more effective, more reliable, and more humane. The development and use of in vitro models, which involve growth of cells outside the body in a closed and controlled environment, quickly became a very popular alternative to animal experiments in pharmaceutical and biomedical research. Among the variety of in vitro approaches studied during the years, 3D in vitro cell culture was proposed by Regenerative medicine and Tissue engineering as a crucial and essential step for bridging the gap between the in vitro and in vivo outcomes in pre-clinical testing. Particularly, dynamic cell culture using bioreactors was considered a good intermediate step between the conventional in vitro static approach and in vivo animal studies. The design of a bioreactor should be inspired by observations of the native environment trying to reproduce the numerous and complex stimuli on cell behaviour in a controlled and scalable way. All these aspects still make the design and operation of bioreactors a big challenge for bioengineers. In the meantime, Nanotechnology and nanomaterials came into play helping and improving the life sciences with the manipulation of matter over the scale of a nanometer. The subsequent implementation of nanotechnology in biology and medicine fields showed an enormous positive impact on human health. Nanobiotechnology held enormous potential for healthcare, by using nanoparticles as new probes for bioimaging, potential biosensors and vehicles for delivering drugs more effectively in cellular systems, and in vitro diagnosing diseases more rapidly and sensitively. This study is focused on the design and development of an advanced dual-flow perfusion bioreactor, in which an efficient and tunable radial flow perfusion is applied to enable the diffusion of nano-systems through micro-porous polymeric matrices. At the same time, the proposed work presents a wide investigation concerning the synthesis of “ad hoc” polymeric structures for achieving the most performant 3D in vitro model for cell culture, together with the production of powerful and versatile nanoparticles useful for multiple applications as probes for bioimaging or vectors for drug-delivery. With the combination of micro- and nano structures in a controlled environment, the bioreactor is suggested here as a potential in vitro apparatus for new drug pre-screening testing and for studying new human therapies with less cost/time consuming and less ethical concerns compared to in vivo animal models.

Nella ricerca scientifica e medica, l'uso degli animali ha apportato notevoli benefici all’uomo. Sebbene la loro fisiologia non imiti perfettamente il corpo umano, essi agiscono come perfetti "modelli" per lo studio delle malattie umane e lo sviluppo di nuovi farmaci e trattamenti. Tuttavia, secondo la Food and Drug Administration (FDA), solo l'8% dei farmaci testati sugli animali è considerato sicuro ed efficace per l'uso sull’essere umano, il 92% non lo è. Questi tassi di fallimento estremamente elevati nello sviluppo di farmaci, insieme ai costi in forte aumento, hanno portato molti ricercatori a rivalutare il valore degli studi in vivo sugli animali. Questo è stato il motivo per cui, negli ultimi tre decenni, gli scienziati hanno lavorato duramente per trovare valide alternative alla sperimentazione animale in vivo, che potessero essere più efficaci, più affidabili e più umane. Lo sviluppo e l'uso di modelli in vitro sono diventati rapidamente un'alternativa molto popolare agli esperimenti sugli animali nella ricerca farmaceutica e biomedica. Essi coinvolgono la crescita di cellule al di fuori del corpo (umano o animale) in un ambiente chiuso e controllato. Tra i diversi tipi di approcci in vitro studiati nel corso degli anni, la medicina rigenerativa e l'ingegneria dei tessuti hanno proposto la coltura cellulare 3D come un passaggio cruciale per colmare il divario tra i risultati in vitro e in vivo nei test preclinici. In particolare, la coltura cellulare in ambiente dinamico, attraverso l’utilizzo di bioreattori, è stata considerata un valido passaggio intermedio tra l'approccio statico convenzionale in vitro e gli studi sugli animali in vivo. La progettazione di un bioreattore dovrebbe ispirarsi alle osservazioni dell'ambiente nativo, cercando di riprodurre i numerosi e complessi stimoli che agiscono a livello cellulare, in modo controllato e modulabile. Tutti questi aspetti rendono ancora oggi lo sviluppo e l’utilizzo dei bioreattori una grande sfida per i bioingegneri. Nel mondo della ricerca, nel frattempo, hanno fatto la loro comparsa le nanotecnologie e i nanomateriali, aiutando e migliorando le scienze attraverso la manipolazione della materia su scala nanometrica. L’implementazione della nanotecnologia nei campi della biologia e della medicina ha avuto un impatto positivo sulla salute umana. La nanobiotecnologia possiede un enorme potenziale per le scienze mediche, grazie all’utilizzo di nanoparticelle come nuove sonde per il “bioimaging”, come potenziali biosensori e mezzi per la somministrazione di farmaci in modo più efficace a livello cellulare, e infine per diagnosticare le malattie in vitro in modo più rapido e sensibile. Il seguente studio è centrato sulla progettazione e lo sviluppo di un bioreattore a perfusione dotato di doppio flusso, in cui un’efficiente e regolabile perfusione a flusso radiale viene applicata per consentire la diffusione di nano-sistemi attraverso matrici polimeriche microporose. Il lavoro proposto mostra anche un'ampia sperimentazione riguardante la sintesi di strutture polimeriche al fine di realizzare un modello 3D in vitro altamente performante per le coltura cellulari. Tutto questo, insieme alla produzione di potenziali nanoparticelle utili per molteplici applicazioni, come sonde per bioimaging o vettori per la somministrazione di farmaci. Con la combinazione di micro- e nano-strutture in un ambiente controllato, il bioreattore è proposto come un potenziale apparato in vitro per nuovi test pre-screening di farmaci e per studiare nuove terapie, con più benefici costi/tempo e meno problemi etici rispetto a modelli animali in vivo.


identifier: Matouk, Zineb  (2021). Fonctionnalisation de couches minces de dioxyde de titane et de la cellulose nanocristalline, sous forme de couches minces et de poudre, au moyen d’une décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique.  Thèse.  Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 165 p.

subject:
décharge à barrière diélectrique
plasma atmosphérique
TiO₂@C
nanocomposites
hydrophile
hydrophobe
film de nanocellulose
poudre de nanocellulose
traitement de surface
dielectric barrier discharge
atmospheric plasma
nanocomposites
hydrophilic
hydrophobic
nanocellulose film
nanocellulose powder
surface treatment

abstract:
La mouillabilité d’un matériau est un facteur clé dans diverses applications comme les peintures, l’emballage, le collage ou même en biologie. Cela justifie l’importance du rôle des techniques de modification et traitement des surfaces, notamment au moyen de plasmas pour le nettoyage fin, l'activation simultanée ou le revêtement fonctionnel des surfaces. Les espèces produites dans le plasma réagissent avec la surface et l'activent de sorte que des fonctionnalités hydrophiles ou hydrophobes peuvent s'y attacher. Contrairement aux techniques complexes et coûteuses de traitement par plasma à basse pression, les plasmas à pression atmosphérique présentent l’avantage de permettre un traitement en continu mieux adapté aux applications industrielles plutôt que par lots. Parmi ces procédés, les décharges à barrières diélectriques à la pression atmosphérique permettent de mettre en place des procédés verts pouvant facilement être intégrés sur une chaine de production industrielle. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’inscrit dans cette thématique de fonctionnalisation des matériaux par décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique. Dans la première partie de ce travail, la décharge à barrière diélectrique a été utilisée comme outil pour le dépôt et la fonctionnalisation simultanée de nanocomposites superhydrophiles TiO2@carbone. Les nanocomposites sont synthétisés en injectant des nanoparticules de TiO₂ en suspension dans de l'isopropanol dans une décharge à barrière diélectrique générée dans un mélange gazeux N₂/N₂O. L'influence de la tension de la décharge sur la mouillabilité des nanocomposites TiO₂@C a été examinée. L'angle de contact a été considérablement réduit de 93° pour la poudre de référence à moins de 5° pour les nanocomposites déposés à plus fort voltage. Ainsi, le procédé que nous avons mis au point a permis de modifier la surface du matériau en la rendant hydrophile, ce qui présente un intérêt pour l’élaboration de surfaces autonettoyantes. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la fonctionnalisation de films de nanocellulose. Des plasmas formés de mélanges d’argon et de méthane, d'ammoniac et de silane ont été utilisés pour favoriser la fonctionnalisation de la surface hydrophile de ces films en modifiant leur composition chimique et/ou leur rugosité. Nos résultats montrent que l'utilisation de plasmas avec la chimie appropriée, à savoir Ar/CH₄, Ar/NH3 et Ar/SiH₄, peut favoriser l'hydrophobicité ou l'hydrophilicité des films de nanocellulose sans toutefois affecter leur cristallinité. Enfin, nous avons étudié la fonctionnalisation de poudres de nanocellulose. Des plasmas formés dans des mélanges d'argon avec du méthane (Ar/CH₄) ou du silane (Ar/SiH₄) et une combinaison successive de ces deux mélanges (Ar/CH₄ suivi par Ar/SiH₄) ont été utilisés afin de favoriser la dispersion de la poudre. nanocellulose dans les solvants organiques. Les résultats montrent que selon la composition du gaz plasmagène, différentes fonctionnalités peuvent être favorisées à la surface de la nanocellulose. Tous les traitements ont conduit à l’hydrophobicité de la nanocellulose initialement hydrophile, l'hydrophobie la plus élevée étant obtenue avec les mélanges gazeux Ar/SiH₄ et Ar/CH₄-SiH₄. Comme dans le cas des films de nanocellulose, la cristallinité de la nanocellulose demeure inchangée. Par conséquent, le procédé que nous avons développé peut modifier la surface hydrophile de la nanocellulose en la rendant superhydrophobe, ce qui est crucial pour des applications telles que des barrières à l’humidité et aux gaz. Enfin, ces résultats montrent que la décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique est une méthode efficace et peu coûteuse pour des traitements de surface uniformes qui peuvent ultérieurement être utilisés comme des matériaux à haute valeur ajoutée dans diverses applications pour créer des surfaces autonettoyantes, pour la décontamination de l'air ou de l'eau ou même comme barrière à l’humidité et aux gaz. Leur intégration envisageable dans les lignes de production pourrait procurer un avenir intéressant à ce type de procédés dans un futur rapproché.

The wettability of a material is of paramount importance in various applications such as painting, packaging, bonding or even biology. This justifies the importance of the role of surface modification and treatment techniques by practical means such as plasmas for fine cleaning, simultaneous activation, or functional coating of surfaces. The species produced in the plasma react with the surface and activate it so that hydrophilic or hydrophobic functionalities can attach to it. Unlike complex and expensive low pressure plasma processing techniques, atmospheric pressure plasmas offer the advantage of allowing continuous processing better suited to industrial applications rather than batches. Moreover, as a green process, the possibility of integrating it into an industrial production chain makes the dielectric barrier discharges at atmospheric pressure attractive. In this context, this thesis deals with this theme of functionalization of materials by dielectric barrier discharge at atmospheric pressure. In the first part of this work, the dielectric barrier discharge was used as a tool for the simultaneous deposition and functionalization of superhydrophilic TiO₂@carbon nanocomposites. Accordingly, nanocomposites were synthesized by injecting TiO₂ nanoparticles suspended in isopropanol into a dielectric barrier discharge generated in a N₂/ N₂O gas mixture. The influence of discharge voltage on the wettability of TiO₂@carbon nanocomposites was examined. The contact angle was significantly reduced from 93 ° for the reference powder to less than 5 ° for the nanocomposites deposited at high voltage. Thus, the process developed in this study effectively modified the surface of the material by increasing its hydrophilicity, which is of interest for the development of self-cleaning surfaces. In the second part, a special interest was devoted to the functionalization of nanocellulose films. Plasmas formed of mixtures of argon and methane, ammonia and silane were used to promote the functionalization of the hydrophilic surface of these films by modifying their chemical composition and/or roughness. Our results show that the use of plasmas with the appropriate chemistry, namely Ar/CH₄, Ar /NH3 and Ar/SiH₄, can alter the hydrophobicity or hydrophilicity of nanocellulose films without affecting their crystallinity. Finally, we studied the functionalization of nanocellulose powders. Plasmas formed in mixtures of argon with methane (Ar/CH₄) or silane (Ar/SiH₄) and a successive combination of these two mixtures (Ar/CH₄ followed by Ar/SiH₄) were used to promote the dispersion of the nanocellulose powder in organic solvents. The results show that depending on the composition of the plasma gas, different functionalities can be formed on the surface of the nanocellulose. All treatments led to the hydrophobicity of the initially hydrophilic nanocellulose, the highest hydrophobicity being obtained with the Ar/SiH₄ and Ar/CH₄-SiH₄ gas mixtures. In the case of nanocellulose films, the crystallinity of nanocellulose remained unchanged. Therefore, the developed process can modify the hydrophilic surface of nanocellulose by making it superhydrophobic, which is of importance for applications such as moisture and gas barrier. In conclusion, the obtained results show that dielectric barrier discharge at atmospheric pressure is an effective and inexpensive method for uniform surface treatments that can be used as high added-materials in various applications to create self-cleaning surfaces, for air or water decontamination or even as a barrier to moisture and gases. Their possible integration into production lines could open new avenues for these kinds of processes in the future.


identifier: Nguyen, MinhTri  (2022). Interference and resource management techniques for wireless networks.  Thèse.  Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 236 p.

subject: télécommunications

abstract: Global wireless communication demands have seen dramatic growth over the past decade along the rapid increase in the numbers of human and machine-based connections. Moreover, next-generation wireless networks and technologies must be developed to support diverse requirements in terms of data rate, latency, reliability for different vertical applications such as e-health, smart factories, and smart cities. To meet these requirements given limited spectrum resource, it becomes critical to leverage under-utilized usable frequency bands and to enhance the spectrum efficiency. To this end, one must address great challenges in engineering hardware components such as antennas and radio frequency circuits to effectively exploit higher frequency bands while improvement of spectrum efficiency requires more sophisticated communications techniques and novel interference and resource management strategies. There has been growing interests in leveraging different aerial platforms including low altitude unmanned aerial vehicles (UAVs), high-altitude UAVs, balloons, dense low-orbit satellites in recent years for providing reliable, ubiquitous, and economical wireless services. Among them, UAVs-based communications platforms can provide low-cost solutions for various communications scenarios (e.g., wireless areas with limited infrastructure or high traffic demand) and the UAV-based wireless networks offer extra degrees of freedom to optimize the underlying wireless network to enhance the coverage, throughput, and energy efficiency thanks to unique UAV’s attributes such as mobility, flexibility, and controllable altitude. UAV communications can also be leveraged to enhance the communications quality of wire less cellular networks and to support various Internet of Thing (IoT) applications such as data dissemination or data collection. The overall objective of this PhD research is to develop interference and resource management strategies for next generation wireless networks where UAV communications are leveraged to effectively support different applications with diverse quality of service (QoS) requirements. Specifically, our research has resulted in three major contributions as summarized in the following. First, we propose the joint interference cancellation, channel estimation, and data symbol detection for a general interference setting where the interfering source and interfered receiver are un-synchronized and occupy overlapping channels of different bandwidths. We construct a two-phase framework where the interference and desired channel coefficients are estimated by using the joint maximum likelihood-maximum a posteriori probability (JML-MAP) criteria in the first phase; and the MAP based symbol detection is performed in the second phase. We propose an iterative algorithm for interference cancellation, channel estimation and data detection based on the proposed two-phase framework. We then conduct analysis of channel estimation error, residual interference, symbol error rate, and optimize the pilot density to achieve the maximum throughput. Second, we study the resource allocation and trajectory optimization problem for multi UAV based wireless networks to maximize the number of admitted users while satisfying their data transmission demands. To tackle the formulated mixed integer non-linear programming (MINLP) problem, we first introduce soft admission variables and solve the corresponding optimization problem by an iterative algorithm. Each iteration comprises two steps, namely soft admission maximization and user removal. The proposed method guarantees to increase the number of admitted users over iterations and therefore, converge to a stable solution. Finally, we study the joint optimization of multi-UAV’s trajectories, transmit power, user-UAV association, and user pairing for multi-UAV based wireless networks employing the non-orthogonal multiple access (NOMA) for uplink communications. The design aims to minimize the total user’s energy consumption while guaranteeing to successfully transmit their required data to the UAV-mounted base stations. To tackle the underlying problem, we derive the optimal power allocation as a function of other variables, which is used to transform the optimization problem into an equivalent form. We then propose an iterative algorithm to solve the obtained optimization problem by using Block Coordinate Descent method where three sub-problems are solved in each iteration. Specifically, given the UAVs’ trajectories and data rates, we solve the NOMA user pairing and user-UAV association sub problem optimally by exploiting its special structure. Then, we optimize the users’ data rates and UAVs’ trajectories in the second and third sub-problems, respectively, by using the successive convex approximation method. For all proposed designs and algorithms, we provide extensive analytical and numerical studies which illustrate their achievable performances as the values of different key parameters vary. The numerical studies also demonstrate the efficacy of our proposed algorithms and their significant performance gains versus the state-of-the-art designs.


identifier: Peng, Xiaolei  (2022). Improvement of air breakdown limit in photoconductive antennas by surface passivation for intense terahertz generation.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 92 p.

subject: énergie matériaux

abstract:
Les ondes électromagnétiques térahertz (THz), situées entre les micro-ondes et les infrarouges, constituent une région spectrale intéressante pour l'imagerie, la communication, les diagnostics médicaux et d'autres applications. Cependant, la portion THz du spectre électromagnétique est restée l'une des dernières frontières de l'optique qui a été exploitée récemment dans l'industrie. En effet, la technologie permettant de générer et de détecter efficacement les ondes THz a été difficile à mettre au point, car elle nécessite soit une électronique de pointe et extrêmement rapide, soit une photonique avec de grande longueur d'onde. Une antenne photoconductrice (APC) est généralement composée d'un substrat semi conducteur de haute résistivité avec deux électrodes déposéessur une face du substrat. Les APCs sont largement utilisées pour générer des ondes THz car elles peuvent démontrer une efficacité de conversion optique-THz élevée lorsqu'elles fonctionnent à température ambiante. Cette thèse vise à développer des sources THz intenses en utilisant les APCs. Au Laboratoire de Sources Femtosecondes (LSF), les antennes photoconductrices à grande ouverture (APCGOs) basées sur un cristal de ZnSe ont déjà été développées. Cette source utilise une énergie laser de 20 mJ pour générer des impulsions THz en espace libre avec une énergie allant jusqu'à 8.3 µJ. La principale limite de cette source THz intense est que le champ de polarisation maximum appliqué (qui détermine l’intensité maximale de l’onde THz maximum rayonnée) est toujours limité en pratique par la force diélectrique de l'air. Nous avons surmonté la limite du claquage de l'air par la méthode de passivation de surface, ouvrant ainsi la voie à la génération d'un rayonnement THz intense. Plus précisément, l'antenne est recouverte d'une couche diélectrique faite à partir de résine époxy. Cette dernière ayant une force diélectrique plus élevée que celle de l’air, nous pouvons appliquer des champs de polarisation plus élevés, et donc générer un rayonnement THz plus intense. Nous avons démontré que le champ de polarisation maximum appliqué augmente de plus de 2.2 fois en utilisant la méthode de passivation de surface. En outre, même avec un champ de polarisation identique, le champ électrique de crête du rayonnement THz généré augmente de plus de 1.37 fois après avoir revêtu l'APC par la couche d'époxy. Nous avons également démontré qu'après avoir recouvert la surface de l'APC de GaAs avec la couche d'époxy, la fluence optique irradiant la surface de GaAs augmente, ce qui entraîne l'augmentation du champ électrique THz généré.

 Terahertz (THz) electromagnetic waves, located between microwaves and infrared waves, provide an attractive spectral region for imaging, communication, medical diagnostics and other applications. However, the THz portion of the electromagnetic spectrum has remained one of the last frontiers in optics, having only recently been exploited in the industry. This is because the technology for the efficient generation and detection of THz radiation has been difficult to develop, as it requires either extremely fast electronics or long-wavelength photonics. A photoconductive antenna (PCA) is typically composed of a high resistivity semiconductor substrate with two electrodes fabricated on one face of the substrate. PCAs are widely used to generate THz radiation because they can demonstrate high optical-to-THz conversion efficiency when operating at room temperature. Since their demonstration as practical THz sources and detectors, PCAs have been the subject of a vast number of scientific and industrial reports investigating their application as THz transmitters and receivers. This thesis aimsto develop intense THzsources using PCAs. At the Advanced Laser Light Source (ALLS), large aperture photoconductive antennas (LAPCAs) based on ZnSe crystal have already been developed. This source uses 20 mJ laser energy to generate free space THz pulses with energy up to 8.3 ± 0.2 µJ. The main limitation of the ZnSe-based intense THz source is that the maximum applied bias field (which determines the maximum radiated THz field) is still limited in practice by air breakdown. We overcome the air breakdown limit by the surface passivation method, opening the road to generate intense THz radiation. More precisely, the antenna is covered with a dielectric layer of epoxy resin to avoid air breakdown, which allows higher bias fieldsto be applied, thus potentially generating THz radiation with higher peak electric fields. We demonstrate that the maximum applied bias field increases more than 2.2 times by using the surface passivation method. Further, even with the same bias field, the peak electric field of the generated THz radiation increases more than 1.37 times after covering the PCAs with an epoxy layer. We demonstrate that after covering the GaAs PCA with the epoxy coating, the optical fluence irradiating the GaAs surface increases, leading to the increase in the generated THz electric field.


identifier: Skokan, Lilian  (2022). Imagerie du rapport d’intensité des pics Raman pour la reconstruction des numéros de série oblitérés dans les polymères.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 152 p.

subject:
deformation
thermoplastiques
spectroscopie vibrationnelle
rapport de dépolarisation
chimiométrie
data mining
cadre d’interprétation
science forensique
deformation
thermoplastics
vibrational spectroscopy
depolarization ratio
chemometrics
interpretive framework
forensic science

abstract:
La production de masse des polymères, fréquemment utilisés comme matériau de choix dans la fabrication d’armes à feu, a engendré un important besoin au niveau du développement des méthodes de reconstitution des numéros de série (généralement estampillés) oblitérés à la suite d’une activité criminelle. Puisque l'impression initiale crée des contraintes résiduelles et des déformations locales, l'imagerie Raman hyperspectrale s'est avérée non destructive et efficace à cette fin. Cette technique requiert un cadre expérimental de fine pointe (résolution spectrale et temps d’acquisition élevés) et un processus d'ajustement mathématique en deux étapes pour l'identification des données pertinentes. Ainsi, bien que fonctionnelle, la méthode est inadaptée et peu envisageable dans le cas où l’accès rapide à l’information est de mise. Dans cette étude, l'optimisation de la technique est proposée afin d'aborder les limitations spécifiques de chaque étape du processus élaboré, particulièrement en matière de temps d’acquisition et de traitement de données. Tout d'abord, une évaluation du potentiel du rapport de dépolarisation des modes Raman, pouvant conduire à un outil universel, est menée sur quatre thermoplastiques pertinents, à savoir le polycarbonate, le polyéthylène, le nylon et le nylatron. Bien qu'inférieurs aux attentes en matière d’outil de reconstruction, les résultats empiriques permettent de mieux comprendre les effets de la contrainte, c'est à-dire les mécanismes de propagation de la déformation au sein des polymères. En outre, une méthode exploratoire de traitement des données, précisément l'analyse en composantes principales, est suggérée. Celle-ci permet un meilleur contraste visuel des caractères oblitérés par rapport à la procédure de modélisation mathématique rapportée. Une séparation distincte entre les pixels déformés et non déformés à l'aide de matrices scores est montrée avec une signification statistique confirmée par le biais de modèles de fonction de densité normale et de courbes caractéristiques de performances (Receiver Operating Characteristic curves). Une séquence d’analyse, intégrant les deux approches de traitement des données, est proposée aux praticiens de la science forensique. Ce travail offre également des perspectives supplémentaires, notamment l'exploitation des signatures de fluorescence et des algorithmes de reconnaissance optique de caractères, entre autres, dans le but d’accélérer l’accès à l’information et d’améliorer la signification statistique des résultats. Enfin, les réflexions soulignent la pertinence de diriger l’approche analytique vers un cadre d'interprétation utile, précisément un processus hypothético déductif, nécessaire pour reconstruire le passé singulier et ainsi mener à l’identification ou l’individualisation du numéro de série oblitéré.

The mass production of polymers, frequently used as a material of choice in the fabrication of firearms, has created a significant need for the development of methods to reconstruct obliterated serial numbers (generally stamped) as a result of criminal activity. As the initial impression creates residual strain and local deformations, hyperspectral Raman imaging has proven to be non-destructive and effective for this purpose. This technique requires a state-of-the-art experimental framework (high spectral resolution and considerable acquisition times) and a two-step mathematical fitting process for identifying relevant data. Thus, although functional, the method is unsuitable in cases where time sensitive information is required. In this study, optimisation of the technique is proposed to address the specific limitations of each step of the suggested process, particularly in terms of data acquisition and processing times. Firstly, an evaluation of the potential of the depolarization ratio of Raman modes, which can lead to a universal tool, is conducted on four relevant thermoplastics, specifically polycarbonate, polyethylene, nylon and nylatron. Although substandard in regard to reconstruction abilities, the empirical results provide additional insight into the effects of stress, i.e. the mechanisms of strain propagation within the polymers. Additionally, an exploratory data treatment method, notably principal component analysis, is offered and allows for improved visual contrast of the obliterated characters when compared to the reported mathematical modeling procedure. Distinct separation between strained and unstrained pixels using scores matrices is shown with statistical significance through normal density function models and receiver operating characteristic curves. A recommended routine analysis, incorporating both data treatment approaches, is proposed to forensic scientists. This work also offers additional perspectives, including the exploitation of fluorescence signatures and optical character recognition algorithms, with the aim of accelerating access to information and improving the statistical significance of results. Finally, the reflections highlight the relevance of shifting the discussion towards a purposeful interpretive framework, precisely a hypothetical-deductive process, necessary to reconstruct the singular past and thus lead to the identification or individualization of the obliterated serial number.


identifier: Champagne, Marie-Pierre  (2021). Recharge et dynamique régionale de l’écoulement d’eau souterraine dans le système aquifère de socle en amont du site de Guidel, Bretagne.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 263 p.

subject:
hydrogéologie
aquifère de socle
recharge
modélisation numérique
anisotropie
temps de résidence
structures géologiques
hydrogeology
crystalline aquifer
numerical modeling
anisotropy
residence time
geological structures

abstract:
L’aquifère de socle cristallin du site de Guidel en Bretagne a montré un bon potentiel d’exploitation. Toutefois, le site est à proximité d’un milieu humide sensible, il est dans un système aquifère complexe et l’eau souterraine représente un mélange d’eau moderne et d’eau de plusieurs milliers d’années. L’objectif de nos travaux était de mieux comprendre le rôle de l’écoulement régional pouvant apporter ces eaux évoluées à Guidel. Les travaux ont comporté trois volets : 1) estimation de la recharge, 2) modélisation numérique régionale 2D et 3) modélisation numérique régionale 3D. Les travaux ont d’abord montré que la recharge représente 34 à 41% des précipitations, que l’écoulement souterrain domine le système hydrologique et que les variations interannuelles de recharge sont majeures selon les précipitations. La modélisation 2D et 3D a indiqué que les écoulements locaux se font dans l’horizon fissuré et sont influencés par les altérites ainsi que la topographie. Les écoulements semi-régionaux et régionaux exigent une forte anisotropie du roc sain fracturé situé sous l’horizon fissuré. Ainsi, la circulation de l’eau souterraine dépend à la fois des conditions topographiques locales et de l’anisotropie régionale. L’effet des structures géologiques sur l’émergence n’a pas pu être montré de manière réaliste.

The crystalline basement aquifer at the Guidel site in Brittany has shown good potential for exploitation. However, the site is close to a sensitive wetland, the aquifer system is complex, and the groundwater is a mixture of modern water and old water of several thousand years. The objective of our study was to better understand the role of the regional flow that could bring these evolved waters to Guidel. The work included three components: 1) recharge estimation, 2) 2D regional numerical modeling and 3) 3D regional numerical modeling. The study first showed that recharge represents 34 to 41% of precipitations, that groundwater flow dominates the hydrological system and that interannual variations of recharge vary widely according to precipitations. The 2D and 3D modeling indicated that local flows occur in the fractured horizon and are influenced by alterites and topography. Semi-regional and regional flows require strong anisotropy of the non-weathered fractured rock found below the fissured horizon. Thus, groundwater flow depends both on local topographic conditions and regional anisotropy. The effect of geological structures on groundwater discharge could not be realistically shown.


identifier: Boussabbeh, Cyrine  (2022). Carbonatation et granulation des cendres de grilles de l'incinérateur de la ville de Québec.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 147 p.

subject:
mâchefers
carbonatation
granulation
granulats valorisables
CO₂
bottom ash
carbonation
granulation
recoverable aggregates

abstract:
Au fil des années, la gestion des matières résiduelles, qu’elles soient d’origine domestique ou industrielle, s’est amplement améliorée. Dans certains cas, les déchets sont incinérés et transformés en cendres qui seront à leur tour enfouies dans des sites d’enfouissements adéquats. Cependant, des efforts ont été déployés afin de transformer les déchets enfouis en des agrégats valorisables d’où l’augmentation de la durée de vie des sites d’enfouissements. Dans ce contexte, mon projet de maîtrise vise à étudier le potentiel de carbonatation/granulation des cendres de grilles appelées « mâchefers » de l’incinérateur de la ville de Québec (fraction lourde des cendres qui se déposent par gravité à la base des fours de l’incinérateur). La méthodologie repose sur le développement et l’optimisation du processus de granulation et carbonatation des mâchefers dans le cadre de la double valorisation des déchets et la confection de granulats valorisables. Le ciment portland a été utilisé comme liant pour tous les essais de granulation. Une étape de prétraitement (séchage, tamisage et broyage) a été réalisée sur les mâchefers avant d’effectuer les essais de carbonatation et granulation. Des tests de caractérisation ont été réalisés pour déterminer la capacité théorique de captage du CO₂ dans la matrice des mâchefers. D’après les résultats préliminaires, les conditions opératoires de carbonatation seront à optimiser pendant les travaux futurs en vue d’augmenter la capacité de séquestration du CO₂ dans les mâchefers. Différentes conditions opératoires ont été optimisées pour aboutir à la recette de granulation des mâchefers. Une large gamme de granulats légers a été obtenue aux cours des essais menés. Les meilleurs rendements de granulation ont été obtenus avec un pourcentage de ciment compris entre 9 et 12 % et un minimum de pourcentage d’eau de 15% par rapport à la masse totale des réactifs, 20 à 45 rotations par minutes et un temps de réaction de 30 minutes. Conformément aux normes de la province, les analyses réalisées sur l’échantillon initial et les granulats confectionnés révèle que les mâchefers utilisés sont non dangereux pour l’environnement et sont classés en catégorie III du guide de valorisation. L’éventuelle utilisation des granulats de mâchefers selon les catégories I et II exigera une caractérisation plus exhaustive ou un prétraitement spécifique.

 Over the years, the management of residual materials, whether of domestic or industrial origin, has improved greatly. In some cases, the wastes are incinerated and transformed into ashes which are buried in adequate landfills. However, efforts have been made to valorize these materials into valuable aggregates, thus increasing the life span of landfills. In this context, my master's project aims to study the carbonation/granulation potential of the called "bottom ash" from the Quebec City waste incinerator (heavy fraction of the ash that settles by gravity at the base of the incinerator's furnaces). The methodology is based on the development and optimization of the granulation and carbonation processes of the bottom ash in the context of the double valorization of waste and the production of valorizable aggregates. Portland cement was used as a binder for all granulation tests. A pre-treatment step (drying, sieving and grinding) was performed on the bottom ash before carrying out the carbonation and granulation tests. Characterization tests were performed to evaluate the theoretical CO2 capture capacity of the bottom ash matrix. Based on the preliminary results, the carbonation operating conditions will be optimized during future work to increase the CO2 sequestration capacity of the bottom ash. Different operating conditions were optimized to arrive at the bottom ash granulation recipe. A wide range of light aggregates was obtained during the tests. The best pelletizing yields were obtained with a percentage of cement between 9 and 12% and a minimum percentage of water of 15% in relation to the total mass of reagents, 20 to 45 rotations per minute and a reaction time of 30 minutes. In accordance with the standards of the province, the analyses carried out on the initial sample and the manufactured aggregates reveal that the bottom ash used is not dangerous for the environment and is classified in category III of the valorization guide. The possible use of bottom ash aggregates according to categories I and II will require a more exhaustive characterization or a specific pre-treatment.


identifier: Laaboulli, Mohamed  (2022). Évaluation de la qualité environnementale d’un bassin versant agricole à l’aide d'indices de la qualité de l’eau, du sol, des sédiments, de l’hydromorphologie et d’indices intégrateurs.  Mémoire.  Québec, Maîtrise en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 178 p.

subject:
bassin versant
indice
santé
qualité
environnement
watershed
index
health
quality
environment

abstract:
De nos jours, les changements climatiques et l’intensification des activités anthropiques menacent l’état d’équilibre naturel. Le suivi et l’évaluation de la santé environnementale des bassins versants deviennent une nécessité pour examiner la situation et essayer de rétablir l’état d’équilibre. Le défi majeur réside dans la multidisciplinarité des composantes du bassin versant et le choix des indices à intégrer dans l’évaluation. Cette étude présente une revue de littérature exploratoire des indices de la qualité environnementale d’un bassin versant. En identifiant les indices permettant d’évaluer la qualité de l’eau, du sol, des sédiments, la qualité hydromorphologique et les indices intégrés des bassins versants, une analyse comparative a été réalisée pour déterminer la meilleure façon de mettre en œuvre le suivi de l’impact des pratiques agroenvironnementales d’un bassin versant. Suite à la constitution d’une base de données de 3900 références (1680 sur Scopus et 2220 sur Web of Science) des indices ont été sélectionnés et proposés pour l’évaluation des composantes du bassin et l’évaluation de sa santé dans son intégralité. L’analyse générale proposée est basée sur la santé environnementale du bassin versant, la vulnérabilité et le contexte socio-économique, et comprend l’indice de la qualité des eaux (IQE) du Conseil canadien des ministres de l’Environnement (CCME), l’indice de pollution de Nemerow pour évaluer la qualité des sédiments, l’indice de la qualité des sols basé sur un modèle d’évaluation de la gestion des sols, et l’indice de la qualité morphologique (IQM) pour examiner la qualité hydrogéomorphologique. L’application de l’analyse proposée a été faite pour le bassin versant du ruisseau au Castor dans le cadre d’un projet pilote soutenu par la Stratégie québécoise de l’eau 2018-2030. Sur la base des données disponibles, deux indices sur quatre ont été calculés dans le cadre de cette étude, l’IQM et l’IQE du CCME. Les résultats finaux de l’IQM ont montré que seulement 3 % des cours d’eau du bassin versant sont de bonne qualité, 4 % de qualité modérée, 86 % de mauvaise qualité et 7 % de très mauvaise qualité. L’évaluation de la qualité de l’eau à l’aide de l’IQE du CCME a montré que le niveau de la qualité de l’eau a passé de mauvaise (34,83) en 2001 à médiocre (57,03) en 2019.

Nowadays, climate change and anthropogenic activities threaten the natural equilibrium state. Monitoring and assessment of the environmental health of watersheds become a necessity to survey the situation and try to restore the state of equilibrium. The major challenge lies in the multidisciplinary nature of the watershed components, and the choice of indices to be integrated in the assessment. This study presents an exploratory literature review of available environmental quality indices. By identifying indices to assess a few watershed components (i.e. water, soil, sediment, hydromorphological) and integrated watershed indices, a comparative analysis was conducted to implement a suite of indices to monitor the impact of agro-environmental practices in a watershed. Using a database consisted of 3900 references (1680 on Scopus and 2220 on Web of Science), indices were selected and proposed as the most relevant ones for assessing watershed components and evaluating the health of a watershed as a whole. The proposed general analysis, which is based on watershed environmental health, vulnerability and socio-economic context, includes the Canadian Council of Ministers of the Environment (CCME) Water Quality Index (WQI), the Nemerow Pollution Index to assess sediment quality, the Soil Quality Index based on the Soil Management Assessment Model, and the Morphological Quality Index (MQI) to examine hydrogeomorphic quality. The application of the proposed analysis was conducted in the Ruisseau au Castor (Beaver Creek) watershed as part of a pilot project supported by the 2018-2030 Quebec Water Strategy. Based on available data, two out of four indices were calculated in this study: the MQI and the CCME WQI. The final MQI results showed that only 3% of the streams in the watershed are of good quality, 4% of moderate quality, 86% of poor quality, and 7% of very poor quality. The water quality assessment using the CCME WQI showed that the water quality level went from poor (34.83) in 2001 to mediocre (57.03) in 2019.


identifier: Audrin, Thomas  (2022). La distribution du bruit aérien dans les quatre plus grandes métropoles canadiennes : Un diagnostic d’équité environnementale  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en études urbaines, 185 p.

subject:
Équité environnementale
transport aérien
bruit des avions
SIG
Canada
Montréal
personnes à faible revenu
minorités visibles
enfants et personnes âgées
Environmental equity
air transportation
aircraft noise
GIS
Canada
Montréal
low-income individuals
visible minorities
children and elderly persons

abstract:
Comparativement au bruit routier et ferroviaire, le bruit des avions est la source de bruit des transports la plus dérangeante. De nombreuses études dans le domaine de l’épidémiologie et de la santé ont rapporté qu’une exposition chronique à des niveaux élevés de bruit aérien peut avoir des effets néfastes sur la santé et la qualité de vie chez les populations riveraines d’aéroports, en particulier chez les enfants et les personnes âgées. En dépit du fait que le bruit aérien peut avoir des effets délétères sur l’état de santé des populations, peu d’études dans le domaine de l’équité environnementale se sont intéressées à cette nuisance. Parmi celles-ci, des recherches ont mesuré, à différents niveaux et intensités, des iniquités à l’égard des minorités visibles et des personnes à faible revenu. À l’inverse, d’autres auteurs ont rapporté que les groupes de population mieux nantis sont plus susceptibles de résider dans des secteurs avec des niveaux élevés de bruit aérien. En revanche, à notre connaissance, aucune étude n’a été faite dans le contexte canadien.
L’objectif principal de cette thèse est de vérifier si certains groupes de la population, à savoir les personnes à faible revenu, les minorités visibles, les personnes âgées de soixante-cinq ans et plus et les jeunes de moins de quinze ans qui résident dans les quatre plus grandes métropoles canadiennes subissent de l’iniquité environnementale quant à leur exposition à des niveaux élevés de bruit aérien.
Cette thèse est composée de trois articles scientifiques. Le premier pose un diagnostic d’équité environnementale dans les quatre plus grandes métropoles canadiennes – Toronto, Montréal, Calgary et Vancouver – à l’égard de quatre groupes vulnérables quant au niveau de bruit aérien mesuré dans leur milieu résidentiel. Plus spécifiquement, il s’agit de vérifier si l’iniquité pour chacun des groupes varie significativement d’une métropole à l’autre. Le second article de la thèse se penche exclusivement sur les enfants du primaire scolarisés dans la région métropolitaine de Toronto et qui sont exposés à des niveaux élevés de bruit aérien. L’objectif est de déterminer si les écoles primaires accueillant des enfants issus de milieux défavorisés sont disproportionnellement localisées dans des secteurs caractérisés par des niveaux élevés de bruit aérien dans la région métropolitaine de Toronto. Le troisième et dernier article de la thèse pose un diagnostic d’équité environnementale dans une perspective longitudinale. Plus précisément, cette recherche examine la distribution du bruit aérien en 2019 et 2020 à partir de l’utilisation de différents types d’indicateurs de bruit dans la région métropolitaine de recensement (RMR) de Montréal. L’objectif est double. Tout d’abord, il s’agit de déterminer dans quelle mesure les quatre groupes de population vulnérables résident dans des secteurs exposés à des niveaux élevés de bruit aérien avant et après le début de la pandémie de COVID-19 (2019 et 2020). Puis, il s’agit de vérifier si l’utilisation d’un indicateur de bruit des avions plutôt qu’un autre génère des variations importantes dans les résultats et par conséquent en termes de zones et de populations affectées d’une part, et en termes de diagnostic d’équité environnementale d’autre part.
D’après les résultats des trois articles, les diagnostics d’équité relatifs à l’exposition au bruit aérien varient d’une ville à l’autre, d’un groupe de population à l’autre et d’une année à l’autre. Par ailleurs, d’un point de vue méthodologique, les résultats ne semblent pas être cohérents d’une mesure de bruit à l’autre. En effet, l’utilisation de différents types d’indicateurs de bruit (indicateurs énergétiques ou événementiels) conduit à des résultats différents pour une même situation, en termes d’estimation des populations impactées et d’équité environnementale. Le dernier chapitre présente les enjeux soulevés dans chacun des articles et aborde les limites de la thèse ainsi que les perspectives de recherche futures.

Compared to road and rail noise, aircraft noise is the most disturbing source of transportation noise. Numerous epidemiological and health studies have reported that chronic exposure to high levels of aircraft noise can have adverse effects on health and quality of life in populations living in the vicinity of airports, particularly among children and the elderly. Despite the fact that aircraft noise can have deleterious effects on the health of populations, few studies in the field of environmental equity have addressed this nuisance. Among these, research has measured, at different levels and intensities, inequities with respect to visible minorities and low-income individuals. Conversely, other authors have reported that wealthy population groups are more likely to reside in areas with high levels of aircraft noise. However, to our knowledge, no study has been done in the Canadian context.
The main objective of this thesis is to verify whether certain groups of the population, namely low-income individual, visible minorities, children under 15 years old and individuals 65 years and over who live in the four largest Canadian metropolises suffer from environmental inequity relating to their exposure to high levels of aircraft noise.
This doctoral thesis includes three articles. The first provides an environmental equity diagnosis in the four largest Canadian metropolises – Toronto, Montreal, Calgary and Vancouver – with respect to four vulnerable groups relating to aircraft noise level measured in their residential area. Specifically, it will be a question of verifying whether the inequity for each of the groups varies significantly from one metropolis to another. The second article focuses exclusively on elementary school children in the Toronto metropolitan area who are exposed to high levels of aircraft noise. The objective is to verify whether primary schools attended by children from lower socio-economic backgrounds are disproportionately located in areas characterized by high levels of aircraft noise in Toronto metropolitan area. The third and last article of the thesis makes a diagnosis of environmental equity from a longitudinal perspective. Specifically, this research examines the distribution of aircraft noise between 2019 and 2020 using different types of noise indicators in the Montréal census metropolitan area (CMA). The objective is twofold. First, the aim is to determine to what extent the four vulnerable population groups reside in areas exposed to high levels of aircraft noise before and after the onset of the COVID-19 pandemic (2019 and 2020). The second objective is to determine whether the use of an aircraft noise indicator rather than another generates significant variations in the results and consequently in terms of affected areas and populations on the one hand, and in terms of environmental equity diagnosis on the other hand.
According to the results of the three articles, diagnoses of environmental equity relating to aircraft noise exposure vary from city to city, population group to population group, and year to year. Furthermore, from a methodological point of view, the results do not seem consistent from one noise measurement to another. Indeed, the use of a specific indicator (cumulative or single-events) can lead to different results for the same situation, in terms of estimates of impacted populations and environmental equity. The last chapter presents the issues raised in each of articles, and discusses the limits of the thesis as well as future research perspectives.