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Atomic-Scale Numerical Simulations of Radiation-Induced Damage in Semiconductors
No full textDepuis les années 2010, l'exploration spatiale connaît un renouveau, porté par des entreprises privées rendant l'accès à l'espace plus abordable. Cependant, l'environnement spatial reste hostile, notamment à cause des rayons cosmiques galactiques et des éruptions solaires, qui endommagent les circuits électroniques des équipements spatiaux. La protection des technologies microélectroniques contre ces radiations est donc cruciale pour assurer la réussite des missions spatiales. Les rovers martiens, comme Curiosity et Perseverance, illustrent bien ces défis. Privés de l'atmosphère protectrice et du champ magnétique terrestre, ils subissent des radiations intenses, nécessitant des systèmes électroniques renforcés, comme le processeur RAD750. À bord de la Station spatiale internationale (ISS), les capteurs numériques sont altérés par ces particules énergétiques, produisant des pixels morts et affectant les opérations scientifiques. Sur Terre, des environnements à haute radiation, tels que les centrales nucléaires, posent des défis similaires. Dans tous ces contextes, comprendre les interactions entre les radiations et les composants électroniques est essentiel pour améliorer leur durabilité. Les radiations sont classées en deux catégories principales : ionisantes et non-ionisantes. Ces dernières, en déplaçant les atomes dans les cristaux, créent des cascades de collision, qui provoquent des défauts dans les matériaux, dégradant les performances des semi-conducteurs, comme l'apparition de courants parasites dans les capteurs d'images. Ces phénomènes, se déroulant à des échelles de temps extrêmement courtes, sont difficiles à observer expérimentalement. Ainsi, les outils de simulation numérique jouent un rôle clé. Ils permettent d'explorer différents aspects des interactions particule-matière, tout en s'appuyant sur des validations expérimentales. Parmi les matériaux étudiés, le nitrure de gallium (GaN) suscite un intérêt croissant grâce à ses propriétés uniques : large bande interdite, haute mobilité électronique, excellente conductivité thermique, et résistance accrue aux radiations. Ces caractéristiques font de GaN un candidat idéal pour des applications en environnements extrêmes. Cette thèse explore la résistance du GaN aux radiations en utilisant une approche de simulation multi-échelles. Les outils employés comprennent : Monte Carlo, pour modéliser les interactions initiales entre particules et atomes. Dynamique moléculaire (MD), pour examiner la phase balistique et la formation des défauts. Dynamique moléculaire ab initio (MD-DFT), pour une compréhension plus précise des interactions atomiques, notamment pour évaluer l'énergie de déplacement seuil (TDE).Since the 2010s, space exploration has experienced a resurgence, driven by private companies making access to space more affordable. However, the space environment remains hostile due to galactic cosmic rays and solar flares, which damage electronic circuits in space equipment. Protecting microelectronic technologies against radiation is therefore critical to ensuring mission success. Martian rovers, such as Curiosity and Perseverance, exemplify these challenges. Without Earth's protective atmosphere and magnetic field, they endure intense radiation, necessitating reinforced electronic systems like the RAD750 processor. On the International Space Station (ISS), digital sensors are altered by energetic particles, causing dead pixels and impacting scientific operations. On Earth, high-radiation environments like nuclear power plants pose similar challenges. In all these contexts, understanding interactions between radiation and electronic components is key to improving their resilience. Radiation is classified into two main categories: ionizing and non-ionizing. Non-ionizing radiation displaces atoms in crystals, creating collision cascades that generate material defects, degrading semiconductor performance, such as parasitic currents in imaging sensors. These phenomena, occurring on extremely short timescales, are difficult to observe experimentally. As such, numerical simulation tools are essential for exploring various aspects of particle-matter interactions, with experimental validations ensuring scientific rigor. Among the studied materials, gallium nitride (GaN) has gained increasing attention for its unique properties: wide bandgap, high electron mobility, excellent thermal conductivity, and enhanced radiation resistance. These characteristics make GaN an ideal candidate for applications in extreme environments. This thesis investigates GaN's radiation resistance using a multi-scale simulation approach. The tools employed include: Monte Carlo simulations, to model initial particle-atom interactions. Molecular dynamics (MD), to study the ballistic phase and defect formation. Ab initio molecular dynamics (MD-DFT), for a more precise understanding of atomic interactions, particularly in evaluating the threshold displacement energy (TDE)
Inégalités systoliques en géométrie métrique et de contact
No full textLe rapport systolique d'une forme de contact sur une variété compacte de dimension (2n+1) est défini comme le rapport de la (n+1)-ième puissance de la plus petite période d'une orbite de Reeb périodique, et du volume de contact. Une famille C de formes de contact satisfait une inégalité systolique lorsque le rapport systolique est borné sur C. Cette notion généralise le contexte bien étudié des inégalités systoliques en géométrie riemannienne. Il est connu qu'il n'y a pas d'inégalité systolique valide pour toutes les formes de contact sur une variété de contact donnée. Le résultat principal de cette thèse est que, sur une variété compact orientée de dimension trois munie d'une action du cercle presque libre de nombre d'Euler non-nul, la classe des formes de contact invariantes par cette action satisfait une inégalité systolique. Bien que ce résultat ne fournisse pas de borne optimale, nous prouvons également une inégalité systolique optimale pour la classe plus restreinte des formes de contact invariantes tendues sur des fibrés en cercle au-dessus de la sphère, et décrivons entièrement le cas d'égalité. Ce résultat a des applications intéressantes : une inégalité systolique optimale pour les orbites de Reeb contractiles sur certains espaces lenticulaires, une inégalité systolique optimale pour les métriques Finsler de révolution sur la sphère de dimension deux, et la validité d'une conjecture de Viterbo pour les domaines convexes invariants par une action symplectique du cercle.On a closed contact (2n+1)-manifold, the systolic ratio of a contact form is the ratio between the (n+1)-th power of the minimum of the periods of closed Reeb orbits by the contact volume. A family of contact forms C satisfies a systolic inequality if the systolic ratio is bounded on C. This generalizes the well-studied setting of systolic inequalities in Riemannian geometry. It is known that there is no systolic inequality valid for all contact forms on a fixed contact manifold. The main result of this thesis is that, on an oriented closed three-dimensional manifold endowed with an almost-free circle action with non-zero Euler number, the class of contact forms invariant under this action satisfies a systolic inequality. Although this result does not give any optimal bound, we prove a sharp systolic inequality under more restrictive assumptions, namely for tight invariant contact forms on circle bundles over the two-sphere. In that case, we fully characterize when equality is reached. We then give applications of this last result: a sharp systolic inequality for the contractible Reeb orbits on some lens spaces, a sharp systolic inequality for Finsler metrics of revolution on the two-sphere and the validity of a conjecture of Viterbo for convex domains invariant under a symplectic circle action
Predictive supervision of a multimodal transport system
No full textL'augmentation de l'utilisation des véhicules privés et ses effets néfastes sur la qualité de l'air soulignent la nécessité de promouvoir les transports publics. Le transport à la demande, en offrant une alternative flexible et pratique, joue un rôle clé dans cette transition vers une mobilité plus durable et plus respectueuse de l'environnement. Les efforts conjoints des gouvernements, des chercheurs, des entreprises de transport et des citoyens seront essentiels pour réussir et assurer cette transformation. Le transport à la demande est défini comme le transport de passagers entre des origines et des destinations spécifiques, à la demande des utilisateurs. Les systèmes de transport à la demande comprennent des services tels que le transport « dial-a-ride » (DARP). Dans ce système, les utilisateurs font des demandes de transport d'un point de prise en charge à un point de dépose. Cette thèse se concentre sur la résolution de trois parties principales : l'optimisation des itinéraires et des horaires tout en respectant les contraintes des passagers et des fournisseurs de services, la prévision de la demande et la gestion de la flotte en fonction des demandes des passagers, et enfin, la détermination de la taille de la flotte. Deux méthodes de regroupement sont développées pour regrouper les trajets qui ont un fort potentiel de partage de véhicules afin d'aborder les problèmes à grande échelle. Un indice de partage basé sur trois situations de partage différentes permet d'identifier des chemins plus optimisés entre les hubs. Nous avons développé une simulation qui crée une base de données synthétique pour un cas réel afin d'évaluer la performance du système développé. Les résultats montrent des réductions de l'utilisation des véhicules allant jusqu'à 57 % pendant les heures de pointe du matin et 61 % le soir par rapport aux systèmes de transport conventionnels lorsque 40 % des utilisateurs de voitures privées optent pour des services de mobilité à la demande. La congestion du réseau est réduite, le nombre de véhicules passant de plus de 14 000 actuellement à seulement 8 000.The increase in the use of private vehicles and its harmful effects on air quality highlight the need to promote public transport. On-demand transport, by offering a flexible and convenient alternative, plays a key role in this transition towards more sustainable and environmentally friendly mobility. The joint efforts of governments, researchers, transport companies, and citizens will be essential for success and to ensure this transformation. On-demand transport is defined as the transport of passengers between specific origins and destinations, at the users’ request. TOD systems include services such as 'dial-a-ride' (DARP) transport. In this system, users make transport requests from a pick-up point to a drop-off point. These requests are handled by a fleet of vehicles, which often offer a shared service, meaning multiple passengers can be in a vehicle at the same time.This thesis focuses on solving three major parts: optimizing routes and schedules while meeting the constraints of both passengers and service providers, forecasting demand and managing the fleet according to passenger requests, and finally, determining the fleet size. Two clustering methods are developed to group trips that have high potential for vehicle sharing in order to address large-scale problems. A sharing index based on three different sharing situations helps to identify more optimized paths between hubs. We developed a simulation that creates a synthetic database for a real case to evaluate the performance of the developed system. The results show reductions in vehicle use of up to 57% during morning rush hours and 61% in the evening compared to conventional transport systems when 40% of private car users opt for mobility on-demand services. Network congestion is reduced, with the number of vehicles decreasing from more than 14,000 currently to only 8,000 vehicles
Thinking in its connection to other faculties in Waldorf education
No full textComment la pensée peut-elle être sollicitée dans l’enseignement ? Comment rendre la pensée active ? Cette thèse a pour but d’explorer ces questions par l’étude du concept de pensée et de son lien avec d’autres facultés dans la pédagogie Waldorf, notamment dans l’enseignement des matières théoriques. Nous nous appuyons sur l’œuvre philosophique et pédagogique de son fondateur, Rudolf Steiner, ainsi que sur la recherche récente sur cette pédagogie, et nous la comparons avec d’autres approches en philosophie de l’éducation et en pédagogie. Nous analysons la place de la pensée et le rôle de l’expérience du phénomène, de la sphère affective, de la volonté et de l’imagination. Nous retraçons les origines et l’évolution des concepts principaux de la théorie de la connaissance de Steiner, nous explorons la théorie des facultés, qui distingue la pensée, le sentiment et la volonté, et nous dégageons plusieurs principes inhérents à la pratique pédagogique. Pour mettre la théorie en lien avec les propositions didactiques, différentes méthodes d’enseignement sont regroupées en principes de l’ « enseignement vivant » : la pensée active, mobile et complexe, l’expérience par la perception, l’action, l’enseignement concret, ainsi que l’imagination, l’art et l’esthétique dans l’enseignement. Pour illustrer nos analyses, nous proposons l’étude empirique d’une pratique de l’enseignement dans une école Waldorf en France.How can thinking be stimulated in the classroom ? How can it bemade active? This dissertation aims to explore these questions through an analysis of the concept of thinking and its connection with other faculties in Waldorf education, with a particular focus on the teaching of theoretical subjects. I draw on the philosophical and pedagogical work of its founder, Rudolf Steiner, as well as recentre search on this pedagogy, and compare it with other approaches in philosophy of education and pedagogy. I analyze the place of thinking and the role of the experience of phenomena, the affective sphere, the will and imagination. I retrace the origins and development of the main concepts of Steiner’s epistemology, explore the theory of faculties, which distinguishes between thinking, feeling and willing, and identify several principles inherent to pedagogical practice. To relate the theory to didactic propositions, various teaching methods are grouped into principles of “living teaching”: active, mobile and complex thinking, experience through perception,action, concrete teaching, as well as imagination, art and aesthetics in teaching. To illustrate my analyses, I propose an empirical study of a teaching practice in a Waldorf school in France
Angkor mines, archaeological and archaeometallurgical study of primary copper production sites in the Chhaep region, Preah Vihear province, Cambodia (9th-14th centuries)
No full textLa redécouverte, en 2021, d'un vaste ensemble de sites miniers et métallurgiques répartis autour d'un gisement cuprifère dans la région de Chhaep (province de Preah Vihear) a permis d'identifier pour la première fois des vestiges d'opérations anciennes de production primaire du cuivre au Cambodge. Il comprend aujourd'hui plus d'une quinzaine de sites liés à des opérations d'extraction et de traitement du minerai, et associés aussi bien à la métallurgie du cuivre qu'à celle du fer, également exploité dans la région. L'étude pluridisciplinaire (archéologie, archéométallurgie, géologie, archéométrie) engagée sur plusieurs de ces sites a permis de remettre en lumière une tradition métallurgique attestée sur plus de deux millénaires, commençant aux débuts de l'âge du Bronze (vers 1100 - 1000 AEC) et se prolongeant jusqu'à la fin de l'époque angkorienne (vers le XIVe siècle). Pour la production primaire de cuivre plus particulièrement, un examen approfondi de deux sites, Phnom Chroap Phdau, un site d'extraction de minerai de cuivre, et Trapeang Choan Sanlong, un des sites de traitement métallurgique de ce minerai, a permis de caractériser l'organisation de cette production de cuivre à l'échelle locale. La présente thèse vise ainsi à introduire la question spécifique de la production primaire de cuivre et de sa « chaîne opératoire » dans le Cambodge ancien, en particulier pour l'époque angkorienne (IXe - XVe siècle), à travers l'étude archéologique et archéométallurgique du premier complexe minier et métallurgique de cuivre connu pour le Cambodge ancien.The rediscovery in 2021 of a large complex of mining and metallurgical sites spread around a copper deposit in the Chhaep region (Preah Vihear Province) has revealed the first remains of ancient copper primary production known in Cambodia. It now includes more than fifteen sites linked to ore extraction, processing, and smelting, and associated with both copper and iron metallurgy, which is also mined in the region. The multi-disciplinary study (archaeology, archaeometallurgy, geology, archaeometry) undertaken on several of these sites has brought to light a metallurgical tradition that has been attested for more than two millennia, beginning in the early Bronze Age (around 1100 - 1000 BC) and extending to the end of the Angkorian period (around the 14th century). More specifically for copper primary production, an in-depth study of two sites, Phnom Chroap Phdau, a copper ore extraction site, and Trapeang Choan Sanlong, a copper smelting site, enabled an initial characterisation of the organisation of copper production at local level. The aim of this thesis is to introduce the specific issue of copper primary production and its “chaîne opératoire” in ancient Cambodia, especially for the Angkorian period (9th-15th centuries), through an archaeological and archaeometallurgical study of the first known copper production site in ancient Cambodia
Establishments and extinction processes of small populations in changing environments
No full textLes petites populations sont particulièrement vulnérables à la stochasticité démographique, la dérive génétique et la variabilité environnementale, qui peuvent conduire les populations vers un vortex d'extinction. Dans un monde anthropisé, les petites populations sont d'autant plus à risque qu'elles doivent également s'acclimater et s'adapter aux changements à court et long terme liées au réchauffement climatique. Chez les ectothermes, ces réponses sont marquées par des changements dans la physiologie, les traits fonctionnels, les stratégies de reproduction et les traits d'histoire de vie. Cette thèse vise ainsi à explorer les effets des environnements changeant sur les traits d'histoire de vie de petites populations de Folsomia candida, une espèce de collembole. En particulier, ce travail se focalise sur des traits d'histoire de vie démographiques en lien avec la croissance des populations afin de prédire les dynamiques d'extinctions de petites populations en environnement changeant. J'ai effectué une analyse à la fois théorique et empirique afin de comparer les extinctions à court et long terme de petites populations fondées par des individus sexuellement matures (adultes) ou non (nouveau-né) dans des environnements différents. Les prédictions par un modèle de processus de branchement taillé pour F. candida sont comparées avec des extinctions observées empiriquement. J'ai pu observer que la maturité sexuelle de l'individu fondateur est déterminant dans les extinctions à court et long terme. Dans une seconde étude, des observations longitudinales ont été réalisées pour déterminer l'effet de la vitesse de changement de la température sur la production de descendants ou la survie de petits groupes d'adultes de F. candida sur une plage de température allant de de températures viables à des températures sublétals. J'ai mis en évidence que la vitesse de changement de l'environnement est associée à une modification de la production de descendants au cours du temps mais que la survie ne dépend pas de la vitesse de changement de température chez F. candida. L'effet des vitesses de passage d'un point de basculement sur les dynamiques d'extinction de populations de F. candida établies a également faisait l'objet d'une troisième étude. La vitesse de franchissement d'un point de basculement et en particulier les vitesses de franchissement les plus lentes étaient associées à des extinctions de populations de F. candida. Dans chacune de mes études dans des environnements changeants, des effets qui peuvent être attribués à l'acclimatation ont été observés. Dans l'ensemble, mes résultats suggèrent que la composition initiale d'une petite population peut affecter la probabilité d'extinction à court et long-terme par des dynamiques non-linéaires et des transitions longues du système, qui peuvent imiter des dynamiques quasi-stationnaires des populations. Après avoir franchi un point de basculement d'un paramètre environnemental, les effectifs des populations diminuent jusqu'à atteindre l'extinction. Ce déclin final est différent en fonction de la vitesse de changement de l'environnement, incluant des retours potentiels vers les conditions qui permettent à ces populations de se rétablir.Small populations are particularly vulnerable to demographic stochasticity, genetic drift and environmental variability, which can drive populations towards a vortex of extinction. In an anthropised world, small populations are all the more at risk as they also have to acclimatise and adapt to short- and long-term changes linked to global warming. In ectotherms, these responses are marked by changes in physiology, functional traits, reproductive strategies and life-history traits. The aim of this thesis is to explore the effects of changing environments on the life-history traits of small populations of Folsomia candida, a species of springtail. In particular, this work focuses on demographic life history traits related to population growth in order to predict the extinction dynamics of small populations in changing environments. I carried out both a theoretical and empirical analysis to compare the short- and long-term extinctions of small populations founded by sexually mature (adult) or immature (neonate) individuals in different environments. Predictions by a branching process model tuned for F. candida are compared with empirically observed extinctions. I was able to observe that the sexual maturity of the founder individual is a determining factor in short- and long-term extinctions. In a second study, longitudinal observations were made to determine the effect of the rate of temperature change on the production of offspring or the survival of small groups of F. candida adults over a temperature range from viable to sublethal. I found that the rate of environmental change is associated with a change in offspring production over time but that survival does not depend on the rate of temperature change in F. candida. The effect of tipping point passage rates on the extinction dynamics of established F. candida populations was also the subject of a third study. The speed of crossing a tipping point, and in particular the slowest crossing speeds, were associated with extinctions of F. candida populations. In each of my studies in changing environments, effects that can be attributed to acclimatisation were observed. Overall, my results suggest that the initial composition of a small population can affect the probability of extinction in the short and long term through non-linear dynamics and long transitions in the system, which can mimic quasi-stationary population dynamics. After passing through a tipping point in an environmental parameter, population numbers decline until they reach extinction. This final decline varies according to the speed of change in the environment, including potential returns to conditions that allow populations to recover
Organisation et fonctions locomotrices des neurones réticulospinaux dérivés des V2a chez le poisson-zèbre
No full textLes neurones réticulospinaux (RSNs) du tronc cérébral jouent un rôle central dans l'initiation et le contrôle de la locomotion chez les vertébrés. Bien que l'organisation des circuits spinaux en aval soit bien caractérisée, la structuration fonctionnelle et organisationnelle des RSNs dans le bulbe rachidien reste mal comprise. La complexité anatomique et fonctionnelle de la formation réticulaire complique la compréhension du rôle des RSNs dans l'initiation de la locomotion et la sélection des programmes moteurs. En particulier, l'identité et la connectivité des RSNs responsables de l'initiation de la locomotion en avant demeurent énigmatiques, tout comme l'organisation fonctionnelle précise de la population de RSNs dérivés des neuronesV2a. Pour répondre à ces questions, j'ai utilisé des larves de poisson zèbre, un modèle génétiquement manipulable et optiquement transparent, ; et combiné des techniques de stimulation optogénétique, d'imagerie volumétrique et de cartographie des connexions à résolution unicellulaire. Mon travail de thèse a identifié un sous-ensemble de RSNs dérivés des neurones V2a dont l'activité calcique commence à augmenter environ 300 ms avant l'initiation du mouvement, les désignant comme les cellules « start/maintain » présumées. Ces neurones sont répartis de manière éparse en deux clusters rostrocaudaux dans le bulbe rachidien. Une activation unilatérale de moins de 10 RSNs dérivés des neurones V2a a montré que seule la médulla caudale pouvait initier de manière fiable la locomotion en avant, tandis que la stimulation des neurones V2a dans les régions rétropontines ou médullaires rostrales induisait principalement des virages rapides et de grande amplitude vers le côté ipsilatéral à la stimulation. En outre, la cartographie structurale et fonctionnelle à résolution unicellulaire a révélé que les RSNs dérivés des neuronesV2a situés dans la région déclenchant la locomotion en avant forment un réseau local récurrent ipsilatéral, suggérant que l'excitation récurrente constitue un mécanisme clé pour initier et maintenir la locomotion. Bien que la majorité (90 %) des RSNs dérivés des neurones V2a identifiés projettent des axones ipsilatéraux vers la moelle épinière, un sous-ensemble de neurones situés plus rostralement présente une connectivité bilatérale, potentiellement impliquée dans la coordination du réseau locomoteur en avant entre les deux côtés du bulbe rachidien. Ensemble, ces résultats établissent un modèle dans lequel un sous-ensemble génétiquement défini de RSNs dérivés des neurones V2a dans la médulla caudale, interconnectés par une excitation récurrente, agit comme un centre dédié à l'initiation et au maintien de la locomotion en avant. Ce travail apporte de nouvelles perspectives sur l'organisation fonctionnelle des circuits locomoteurs du tronc cérébral et les mécanismes sous-jacents à la sélection des mouvements moteurs entre la locomotion en avant et les virages.Reticulospinal neurons (RSNs) in the brainstem are central to the initiation and control of locomotion across vertebrates. While the organization of downstream spinal circuits is well characterized, the structural and functional patterning of RSNs within the hindbrain remains less understood. The anatomical and functional complexity of the reticular formation has made it challenging to resolve how RSNs contribute to locomotor initiation and motor selection. In particular, the identity and connectivity of RSNs responsible for triggering forward locomotion remain elusive, as does the precise functional organization of the V2a-derived RSN population. To address these questions, I utilized larval zebrafish, an optically transparent and genetically tractable model system, and applied a combination of optogenetic stimulation, volumetric imaging, and single-cell connectivity mapping. My thesis work reveals a sparsely distributed population of V2a-derived RSNs in the hindbrain, organized into two rostrocaudal clusters, which are recruited approximately 300 ms before movement on set—identifying them to as putative “start/maintain” neurons. Systematic unilateral optogenetic activation demonstrated that only V2a-derived RSNs in the caudal medulla reliably initiate forward locomotion, whereas stimulation of retropontine or rostral medullary RSNs predominantly induced fast, high-amplitude turning behaviors to the ipsilateral side of the stimulation. Furthermore, single-cell structural and functional mapping revealed that V2a-RSNs in the forward-driving locus form a local, ipsilateral recurrent network, suggesting feedback excitation as a key mechanism for initiating and sustaining locomotion. While the majority (90%) of labeled V2a-derivedRSNs project ipsilaterally to the spinal cord, a subset of rostrally located neurons exhibits bilateral connectivity, potentially coordinating the hindbrain forward-driving network across both sides. Together, these findings establish a model in which a genetically defined subset of caudal medullary V2a-RSNs, interconnected through recurrent excitation, functions as a dedicated hub for initiating and sustaining forward locomotion. This work provides new insights into the functional organization of brainstem locomotor circuits and the mechanisms underlying motor selection between forward movement and turning
Structural characterization and enzymatic production of type III mucopolysaccharidosis biomarkers
No full textLes glycosaminoglycanes (GAG) sont des polysaccharides linéaires anioniques dont l'unité répétitive est un disaccharide spécifique de chaque sous-famille de GAG. Au sein des GAGs, les héparane sulfate (HS) sont ubiquitaires et leur disaccharide constitutif est composé d'un acide uronique et d'une glucosamine. Chaque acide uronique peut être épimérisé sous forme d'acide iduronique ou glucuronique et peut aussi être sulfaté en position deux du cycle. De la même manière, les glucosamines peuvent être sulfatées en position trois et six et leur amine peut être acétylée ou sulfatée. Ces modifications sont particulièrement hétérogènes au sein de la chaîne polysaccharidique et dépendent tout autant des types de cellules biosynthétisant le polysaccharide que de l'environnement de celles-ci ou de leur développement. Ainsi, les polysaccharides de HS sont particulièrement complexes et interviennent dans de nombreux mécanismes cellulaires.Le catabolisme in vivo des GAGs fait intervenir un grand nombre d'enzymes différentes et si l'une d'entre elle est altérée, les oligosaccharides non catabolisés s'accumulent au sein des cellules et entraînent des pathologies graves regroupées sous le terme de mucopolysaccharidoses (MPS). Ces maladies génétiques rares affectent de nombreux processus biologiques essentiels et entraînent des problèmes de croissance et de retard mentaux. Les MPS III affectent spécifiquement le développement neuronal à un niveau de gravité élevé et sont les MPS causant la mortalité la plus précoce. Par ailleurs, elles affectent uniquement le métabolisme des HS et sont regroupées sous le terme de syndrome de Sanfilippo.Dans le but de développer des thérapies adaptées aux spécificités des MPS III, il est nécessaire d'identifier un ou plusieurs biomarqueurs fiables et de développer des méthodes d'analyses permettant leur suivi lors de tests cliniques. Les oligosaccharides de HS accumulés lors de ces maladies sont de bons candidats mais leur complexité structurale est un défi dans l'identification de biomarqueurs et le développement de méthodes d'analyse adaptée.Répondre à ces problématiques est l'objet de ce projet et lors de cette thèse nous avons développé des méthodes novatrices d'analyse des oligosaccharides de HS accumulés dans l'urine de patients. Ainsi, nous avons isolé des oligosaccharides selon leur taille par chromatographie puis élucidé leur structure par deux méthodes de spectrométrie de masse. L'utilisation de deux méthodes d'analyse a permis l'élucidation structurale d'oligosaccharides contenues dans des mélanges complexes et l'identification de leur degré de sulfatation et de polymérisation. Cette méthode, appliquée à des extraits de fluides biologiques de patients atteints de MPS III, permettra l'élucidation structurale des oligosaccharides accumulés ainsi que leur suivi lors de test clinique de thérapies. Les variations structurales permettront aussi de proposer des hypothèses sur les mécanismes moléculaires de ces maladies et déterminer la raison de leur degré de gravité plus sévère que les autres MPS.Une autre approche du projet est l'obtention de relations structure-activité à partir d'oligosaccharides produits au laboratoire. Dans le but d'évaluer l'impact d'une variation de l'extrémité non-réductrice encore jamais explorée dans les mécanismes de neuroinflammation, nous avons travaillé sur la production de mimes de ces biomarqueurs potentiels. Nous avons donc développé la synthèse de cette extrémité non réductrice à l'aide de deux enzymes nouvellement commercialisées et peu étudiées. Ainsi, nous pourrons, à terme, traiter in vitro des cellules neuronales avec ces oligosaccharides et déterminer l'importance de cette extrémité non-réductrice dans les mécanismes moléculaires impliqués dans le syndrome de Sanfilippo.Glycosaminoglycans (GAGs) are linear anionic polysaccharides whose repeating unit is a disaccharide specific to each GAG subfamily. Within GAGs, heparan sulfate (HS) are ubiquitous and their constituent disaccharide consists of a uronic acid and a glucosamine. Each uronic acid can undergo epimerization to form either iduronic or glucuronic acids and may also be sulfated at the C2 position of the ring. Similarly, glucosamines can be sulfated at the C3 and C6 positions, and their amine group can be either acetylated or sulfated. These modifications vary significantly within de polysaccharide chain, depending on both the types of cells biosynthesizing the polysaccharide and their environment or stage of development. Consequently, HS polysaccharides are particularly complex and participate in numerous cellular mechanisms.In vivo catabolism of GAGs involves a wide range of different enzymes, and if one of them is altered, undegraded oligosaccharides accumulate within cells, leading to severe disorders known as mucopolysaccharidoses (MPS). These rare genetic diseases disrupt various essential biological processes, causing growth problems and mental delay. MPS III severely impacts neuronal development in particular, leading to a high degree of severity and the earliest mortality among MPS types. It also specifically affects HS metabolism and is groups under the term Sanfilippo syndrome.To develop new therapies tailored to the specificities of MPS III, it is essential to identify one or more reliable biomarkers and to develop analytical methods that allow their monitoring during clinical trials. The HS oligosaccharides that accumulate in these diseases are promising candidates, yet their structural complexity poses a challenge for identifying biomarkers and developing suitable analytical methods.Addressing these issues is the focus of this project, and during this thesis, we developed innovative analytical methods for analyzing HS oligosaccharides accumulated in patient urine. We isolated oligosaccharides by size through chromatography and then elucidated their structures via two mass spectrometry techniques. Using dual analytical methods enabled the structural elucidation of oligosaccharides within complex mixtures and identification of their sulfation and polymerization levels. This method, applied to biological fluid extracts from patients with MPS III, will allow structural elucidation of accumulated oligosaccharides and their tracking throughout clinical trials for therapies. The observed structural variations will also enable us to propose hypotheses regarding the molecular mechanisms of these diseases and to determine why they exhibit a greater severity than other MPS types.Another aspect of the project is to establish structure-activity relationships from oligosaccharides produced in the laboratory. To assess the impact of a variation at the non-reducing end, a feature not previously explored in neuroinflammation mechanisms involved in MPS III, we worked on producing mimics of these potential biomarkers. We developed the synthesis of this non-reducing end using two newly commercialized and minimally studied enzymes enzymes. Ultimately, we will be able to treat neuronal cells in vitro with these oligosaccharides and determine the importance of this non-reducing end in the molecular mechanisms involved in Sanfilippo syndrome
high resolution optical-feedback cavity ring-down spectroscopy at 8.45 µm
No full textLa spectroscopie d’absorption s’est imposée comme un outil de diagnostic d’une grande efficacité, couvrant un large éventail d’applications, des études physico-chimiques de l’atmosphère jusqu’à la physique fondamentale. Au cours des dernières décennies, le développement de techniques basées sur des lasers couplés à des cavités optiques résonantes a permis d’atteindre des niveaux records en termes de sensibilité d’absorption et de résolution fréquentielle, notamment dans le proche infrarouge. Cependant, les instruments performants dans le moyen-infrarouge restent encore trop rares bien que cette gamme spectrale présente un intérêt majeur pour des applications spectroscopiques. Cette limitation est en grande partie liée au manque de composants optiques adaptés et à leurs performances souvent réduites à ces longueurs d’onde, ce qui rend complexe une simple adaptation des techniques de spectroscopie en cavités existantes.Le travail présenté dans ce mémoire de thèse est en grande partie consacré au développement d’un spectromètre moyen-infrarouge répondant à ces objectifs de sensibilité et de résolution fréquentielle. Deux prototypes ont été développés, basés sur un laser à cascade quantique (QCL) émettant à 8.45 µm et une cavité optique linéaire de haute finesse. Ces instruments s’appuient sur une stratégie qui permet de réaliser simultanément des mesures par spectroscopie à temps de déclin (CRDS, pour Cavity Ring-Down Spectroscopy en anglais) et de stabiliser le laser grâce à la rétroaction optique (LOF, pour Linear Optical Feedback) issue de cette même cavité. Cette combinaison permet une injection optimale des photons dans la cavité.Le premier dispositif développé, appelé LOF-CRDS, permet l’acquisition de spectres sur une gamme de fréquences de l’ordre de la centaine de gigahertz, avec une résolution fréquentielle de 300 MHz. La très haute sensibilité d’absorption atteinte, de l’ordre de 4×10⁻¹⁰ cm⁻¹, a permis d’évaluer la contribution du self-continuum de la vapeur d’eau, une mesure d’un grand intérêt pour la physique atmosphérique, car essentielle pour modéliser le transfert radiatif terrestre.Un second dispositif que nous avons nommé LOFS-CRDS exploite les mêmes principes mais a été adapté à la détection de signatures d’absorption très étroites en fréquence (de l’ordre du MHz). Il intègre pour cela un contrôle actif de la longueur de la cavité résonante. Il nous a permis d’enregistrer des spectres avec une résolution spectrale de 20 kHz, soit une amélioration de quatre ordres de grandeur par rapport au système précédent, tout en améliorant la limite de détection à 2×10⁻¹⁰ cm⁻¹. Les performances et les limites de cette technique ont été évaluées à travers deux études: l’une sur les profils de raies de deux transitions de H₂O et l’autre sur un Lamb dip de l’eau, une signature sub-Doppler d’une largeur proche du MHz, associée à un mécanisme de saturation optique.Nos résultats ouvrent de nombreuses perspectives pour l’instrument LOFS-CRDS, notamment pour des applications de spectroscopie à très haute résolution et sensibilité telles que l’étude des transitions rovibrationnelles du C60 froid d’intérêt capital en astrophysique. Notre instrument, comme brique instrumentale, permettrait alors la mesure quantitative de sa concentration en jet supersonique, un préalable à l’étude de son spectre dans d’autres gammes de longueur d’onde. Mais l’instrument LOF-CRDS pourrait aussi s’intégrer dans des applications de terrain grâce à sa simplicité de développement et d’implémentation ou encore être au centre d’études plus fondamentales une fois son axe des fréquences doté d’une calibration absolue.Absorption spectroscopy has proven to be a very effective tool for a wide range of applications, from the physico-chemical study of the atmosphere to fundamental physics. In recent decades, advances in combining lasers with resonant optical cavities have led to unprecedented levels of absorption sensitivity and frequency resolution, especially in the near-infrared. However, similar instruments for the mid-infrared are still rare, even though this spectral range is highly valuable for spectroscopic applications. This is mainly because suitable optical components are lacking at these wavelengths and their performance is generally lower, making it difficult to directly adapt cavity-based spectroscopy techniques.The work presented in this thesis is primarily dedicated to the development of a spectrometer addressing these requirements for sensitivity and frequency resolution in the mid-infrared. Two prototypes have been developed, based on combining a quantum cascade laser (QCL) emitting at 8.45 µm and a high-finesse linear optical cavity. These instruments use a strategy that allows both cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and laser stabilization through optical feedback from the same linear cavity (LOF), ensuring optimal photon injection.The first system, referred to as LOF-CRDS, enables the acquisition of spectra over a frequency range of approximately 100 GHz, with a frequency resolution of 300 MHz. The very high absorption sensitivity of about 4×10⁻¹⁰ cm⁻¹, made it possible to measure the water vapor self-continuum, which is critical in atmospheric physics for modeling Earth’s radiative transfer.A second system, named LOFS-CRDS, uses the same principles but is designed to detect ultra-narrow absorption features (sub-MHz). It achieves this by actively controlling the resonant cavity length. This system allowed the recording of spectra with a spectral resolution of 20 kHz, a four-order-of-magnitude improvement over the previous one, while reaching a limit of detection of 2×10⁻¹⁰ cm⁻¹. The technique’s performance and limitations were assessed through two case studies: one on the line profiles of two H₂O transitions, and another on a water Lamb dip, a sub-Doppler feature with a width near one megahertz, originating from an optical saturation effect.Our results open many possibilities for the LOFS-CRDS instrument, especially for high-resolution and high-sensitivity spectroscopic applications, such as studying the rovibrational transitions of cold C60, which is crucial in astrophysics. As a key component, our instrument could allow for the quantitative measurement of its concentration in a supersonic jet, a prerequisite for studying its spectrum in other wavelength ranges. Furthermore, the LOF-CRDS technique could be integrated into field instruments because it is easy to implement, or serve as the core of more fundamental studies once its frequency axis is absolutely calibrated
Effect of nitriding on the oxidation and hydrogen absorption of a Ti64 alloy in primary water of a nuclear pressurized water reactor
No full textL’utilisation des alliages de titane, alliant légèreté, bonne résistance mécanique et faible activation neutronique, est envisagée pour certains composants du circuit primaire des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP). En milieu primaire, ils ont une bonne résistance à la corrosion malgré une certaine absorption d’hydrogène. La nitruration de surface est considérée pour améliorer leurs propriétés tribologiques mais la corrosion des nitrures de titane dans ces conditions est peu documentée. L’objectif était donc d’évaluer l’effet d’une nitruration de surface par voie gazeuse sur les mécanismes et cinétiques d’oxydation et d’absorption d’hydrogène d’un alliage de titane Ti64 (α + β) en milieu primaire de REP.Des échantillons de Ti64 (Ti-6Al-4V) nitrurés et non nitrurés ont été exposés entre 9 et 151 jours en milieu primaire purifié simulé. Les expositions ont été réalisées en conditions nominales (300 °C, 15 MPa avec 2,25 ppm.mas. de H2 dissous) à deux vitesses de fluide (1 mm.s-1 et 7 m.s-1) dans des boucles en acier inoxydable. Les oxydes formés ont été caractérisés par DRX, MEB-EDS et MET-ASTAR. Un bilan de masse a été combiné à des pesées et à des analyses d’images pour estimer la cinétique de corrosion. La prise d’hydrogène a été mesurée par dosage par fusion. La pénétration d’hydrogène depuis la surface a été étudiée par profils SIMS après réexposition en milieu primaire deutéré. L’évolution des propriétés mécaniques a été caractérisée à l’aide d’essais de traction sur éprouvettes plates d’épaisseur 1 mm.L’exposition en milieu primaire conduit à la formation d’une couche continue de TiO2 sur les deux matériaux étudiés (anatase pour le Ti64 non nitruré, rutile et anatase pour le Ti64 nitruré). La dissolution simultanée de cette couche relâche des hydroxydes de titane dans le milieu. Selon la vitesse de fluide, la précipitation de TiO2 anatase et/ou la co-précipitation de FeTiO3 ilménite ont été observées. Un recouvrement total de la surface par l’ilménite a été atteint à haute vitesse de fluide : l’oxydation a été temporairement stoppée puis a repris lorsque la couche a commencé à se dissoudre partiellement. A une vitesse de fluide de 1 mm.s-1, la vitesse de corrosion maximale à long terme est plus faible pour le Ti64 nitruré (0,7 µm.an-1) que pour le Ti64 non nitruré (1,5 µm.an-1). A une vitesse de fluide de 7 m.s-1, elle est d’environ 5 µm.an-1 pour les deux matériaux. La fraction de titane oxydé qui a été dissoute et évacuée dans le milieu a augmenté avec la vitesse de fluide, passant d’environ 20 %at. à plus de 90 %at. Un modèle de corrosion-érosion a été adapté aux résultats : la vitesse de corrosion serait limitée par l’évacuation des hydroxydes de titane au loin de la surface jusqu’à une vitesse de fluide d’environ 5 à 10 m.s-1, et n’augmenterait plus significativement au-delà.La prise d’hydrogène du Ti64 augmente avec la vitesse de fluide proportionnellement à la quantité de matériau corrodé : elle représente environ 30 % de l’hydrogène produit par la réduction de l’eau associée à l’oxydation du métal. La vitesse d’absorption d’hydrogène est plus élevée sur le Ti64 nitruré que sur le Ti64 non nitruré : pour des coupons avec un rapport surface sur volume de 2,3 mm-1 exposés à une vitesse de fluide de 7 m.s-1, elles sont respectivement de 3,6 ppm.mas.jour-1 et 0,9 ppm.mas.jour-1. Seul le Ti64 nitruré a continué à absorber de l’hydrogène lorsque l’oxydation était stoppée, ce qui a été attribué à une absorption significative de l’hydrogène dissous en milieu primaire. Les interfaces oxyde/nitrure et nitrure/métal formeraient des barrières plus faibles au passage de l’hydrogène que l’interface oxyde/métal sur le Ti64. L’exposition durcit les deux matériaux, ce qui a été attribué à un vieillissement thermique. Après exposition, des hydrures sont observés à température ambiante aux interfaces α/β. Pour des concentrations d’hydrogène supérieures à 200 ppm.mas., ils fragilisent significativement le Ti64 nitruré.The use of titanium alloys is considered for some components of the primary circuit in nuclear pressurized water reactors (PWR), as they are lightweight, have good mechanical properties and a low neutron activation. In primary water, they have a good corrosion resistance despite absorbing hydrogen. Surface nitriding is considered to improve their tribological properties but the corrosion of titanium nitrides is not well documented in those conditions. The objective was therefore to assess the effect of a surface gas-nitriding on the oxidation and hydrogen absorption of a Ti64 alloy (α + β) in PWR primary water.Nitrided and non-nitrided Ti64 (Ti-6Al-4V) samples were exposed between 9 and 151 days to purified simulated primary water. The samples were exposed under nominal conditions (300 °C, 15 MPa with 2.25 ppm.mas. of dissolved H2) at two different fluid speeds (1 mm.s-1 and 7 m.s-1) in stainless steel corrosion loops. The formed oxides were characterized in terms of morphology, chemistry and structure by XRD, SEM-EDS and TEM-ASTAR. A mass balance was combined with weighing and image analysis to estimate the oxidation kinetics. Hydrogen uptake was measured by hot extraction analysis. The hydrogen transport from the surface was studied using SIMS profiles after re-exposure in deuterated primary water. The effect of the exposure to primary water on the mechanical properties was characterized by tensile testing of 1-mm thick flat specimens.The exposures led to the formation of a continuous TiO2 layer on both materials (anatase for non-nitrided Ti64, anatase and rutile for nitrided Ti64). The simultaneous dissolution of this layer released titanium hydroxides in the water. Depending on the hydrodynamic conditions, anatase TiO2 precipitation and/or ilmenite FeTiO3 co-precipitation were observed. A complete surface coverage by ilmenite was reached at high fluid speed: the oxidation was temporarily stopped and resumed when the layer began to dissolve locally. At a fluid speed of 1 mm.s-1, the maximum long-term corrosion rate was lower for nitrided Ti64 (0.7 µm.year-1) than for non-nitrided Ti64 (1.5 µm.year-1). At a fluid speed of 7 m.s-1, the long-term corrosion rate was approximately 5 µm.year-1 for both materials. By increasing the fluid speed, the fraction of oxidized titanium that was dissolved and evacuated in the water also increased, from approximately 20 at.% to more than 90 at.%. A flow-accelerated corrosion model was adapted to the results: it considered the corrosion rate was limited by the evacuation of titanium hydroxides away from the samples surface up to a fluid speed of 5 to 10 m.s-1, and suggested it would no longer increase significantly at higher fluid speeds.The hydrogen uptake of non-nitrided Ti64 increased with the fluid speed proportionally to the amount of oxidized material: it represented approximately 30 % of the hydrogen produced by the water reduction associated with the metal oxidation. The hydrogen absorption rate was higher for nitrided Ti64 than for non-nitrided Ti64: for samples with a surface over volume ratio (S/V) of 2.3 mm-1 exposed at a fluid speed of 7 m.s-1, they were 3.6 wt.ppm.day-1 and 0.9 wt.ppm.day-1, respectively. Only nitrided Ti64 continued absorbing hydrogen while the oxidation was stopped, which was attributed to a significant absorption of the hydrogen dissolved in primary water. It was proposed that the oxide/nitride and nitride/metal interfaces were lower barriers to hydrogen entry than the oxide/metal interface for the non-nitrided Ti64. The primary water exposure led to hardening for both materials, which was associated with thermal ageing. After exposure, titanium hydrides were observed at ambient temperature at the α/β interfaces. For hydrogen concentrations above 200 wt.ppm, hydrides led to a significant embrittlement of nitrided Ti64. To prevent this embrittlement, hydrogen uptake can be reduced by designing parts with a sufficiently low S/V ratio