Projets innovants réalisés

Spectroscopie optique des nanomatériaux

Le projet vise à explorer diverses propriétés physiques à l’échelle nanométrique à l’aide de la spectroscopie optique. En particulier, un accent sur Raman et la spectroscopie optique des nanomatériaux et des composés en vrac à l’échelle nanométrique pour mieux comprendre l’interaction entre de nombreux processus physiques. Cela nous permet non seulement d’explorer les fondements physiques de base des nouveaux effets, mais aussi de mieux caractériser et optimiser les dispositifs. Trois matériaux différents seront au centre de cette étude, les supraconducteurs à haute température, les isolants topologiques et les nanofils semi-conducteurs. Les trois offrent des opportunités uniques d’étudier l’émergence de nouvelles propriétés à mesure qu’un matériau est réglé à l’échelle nanométrique, tout en offrant des améliorations spectaculaires dans les matériaux multifonctionnels, le calcul quantique, la transmission d’énergie sans perte et la production d’énergie thermoélectrique.

Un accent particulier sera mis sur la réponse spectroscopique Raman de ces matériaux. Raman est une technique puissante car elle peut mesurer simultanément le réseau, les propriétés magnétiques, thermiques et électroniques d’un matériau. En outre, chaque matériau a une signature Raman unique et donc Raman peut être utilisé pour « empreinte digitale » un composé inconnu ou cartographier la composition sur une grande surface. Tout cela est réalisé grâce à la diffusion d’un faisceau laser focalisé, offrant une résolution spatiale de 1 micron. Récemment, notre groupe a commencé à coupler un système Raman avec un microscope à sonde à balayage nous permettant de mesurer la réponse Raman avec une résolution de 10 nm. Cette performance inégalée fournira des informations clés sur le rôle de l’inhomogénéabilité à l’échelle nanométrique dans de nouvelles propriétés ainsi que de caractériser pleinement les nanomatériaux uniques (points quantiques, nanofils, matériau exfolié). Par exemple, ce spectromètre Raman amélioré à pointe (TERS) peut cartographier simultanément la température locale, la déformation et la composition chimique d’un matériau ou d’un appareil à l’échelle nanométrique. Ces spectres TERS seront acquis lors de l’utilisation de l’appareil afin de mieux comprendre les limites réelles de ses performances ainsi que les origines des nouveaux comportements qui émergent.

Quantification de la turbulence stratifiée dans les courants gravitationnels

L’étudiant qui travaille sur ce projet déterminera comment la dynamique de mélange interne influence le degré auquel les courants de gravité entraînent le fluide. Les courants de gravité sont des flux importants pour l’océanographie qui se forment lorsque de l’eau dense descend en cascade le long du talus continental. Il existe également de nombreuses applications techniques importantes, telles qu’une élimination dense des eaux usées d’une usine de dessalement, ou le sort des courants de turbidité sous-marins.

L’étudiant mènera des expériences en laboratoire à l’aide de la vélocimétrie d’images de particules, d’un vélocimètre Doppler acoustique et de mesures de densité à haute résolution pour mesurer les champs de densité et de vitesse à petite échelle afin de tester nos prédictions précédentes sur la façon dont le taux d’entraînement et la dynamique de mélange interne dépendent du taux d’entraînement en vrac des courants de gravité.

On s’attend à ce qu’au cours du programme de 12 semaines, suffisamment de données expérimentales soient recueillies pour donner lieu à une publication ultérieure de revues à comité de lecture.

Génomique comparative pour identifier les associations de fonctions

De nombreux génomes microbiens ont été complètement séquencés. Les données sur la présence et l’absence de milliers de gènes dans un large éventail d’espèces permettent d’identifier rapidement les gènes qui sont fonctionnellement associés. En raison de l’ascendance partagée entre les espèces biologiques, une telle association fonctionnelle doit être contrôlée phylogénétiquement. Le calcul nécessite la construction d’un arbre d’espèces fiable, la cartographie des données de présence / absence sur l’arbre et la mise à l’essai de deux modèles de chaîne de Markov, l’un en supposant qu’il n’y a pas d’association fonctionnelle (avec quatre paramètres) et l’autre en supposant une association (avec huit paramètres) par un test de rapport de vraisemblance. Dans le passé, cela n’a été fait que pour les petits ensembles de données de manière semi-automatisée. Ce projet permettra de créer un programme informatique pour automatiser l’ensemble du processus. Les étudiants de ce projet apprendront le cadre conceptuel général ainsi que les connaissances pertinentes des processus stochastiques et des méthodes d’estimation statistique pour faciliter leur participation future en tant qu’étudiants diplômés.

Extraire les propriétés mécaniques des matériaux sous forme de petites échelles à l’aide de lasers ultrarapides

Afin de prédire avec précision les propriétés mécaniques des matériaux, il est nécessaire d’obtenir la véritable courbe contrainte-déformation du matériau jusqu’à la défaillance. Si le matériau est hétérogène, d’autres paramètres sont nécessaires, y compris la courbe de contrainte réelle de toutes les phases du matériau et la résistance de l’interface entre les différentes phases. Cette information est difficile à obtenir, mais elle est cruciale pour les efforts de modélisation.
Dans ce projet, les propriétés mécaniques locales des matériaux seront extraites de divers matériaux à l’aide d’un usinage laser ultrarapide combiné à des techniques de caractérisation de pointe.

Interactions laser-matière ultrarapide dans les métaux et les diélectriques

Ultrafast lasers and especially femtosecond lasers offers new possibilities in the field of micromachining as they allow precise machining with almost no collateral damage around the machined features. Furthermore, the pulse duration (<500fs) is smaller than the atomic vibration period of virtually all materials which results in unique laser/matter interactions. The research project will look at better understanding the surface features obtained after femtosecond laser irradiation of metals and dielectrics. This includes ripple formation, microvoids formation, nano and microstructure modification, etc. In particular, two beam interference will be used to better control the morphologies obtain after irradiation.

Simulation informatique des bactéries nageant dans divers systèmes fluidiques

Les bactéries et les cellules ont des capacités et des stratégies de natation différentes. Il a été démontré qu’il est possible de concevoir des clôtures en forme d’entonnoir dans des systèmes microfluidiques qui forcent les cellules de natation à se concentrer sur un côté de la clôture. Ce n’est pas sans rappeler la façon dont les homards sont capturés !

Dans ce projet, nous simulerons la nage de centaines de cellules en interaction en présence de diverses caractéristiques géométriques afin d’optimiser leur séparation.

Si le temps le permet, nous examinerons également le rôle de la chimiotaxie (les cellules ont tendance à nager vers les sources de nourriture) et des interactions cellule-cellule (les cellules ont tendance à synchroniser leur nage).

Mouvement d’une particule dans une solution contenant des régions épaisses et minces

Lorsqu’un groupe de particules est libéré dans un fluide, elles se dispersent dans toute la solution par diffusion. Si nous considérons une solution qui est épaisse (comme le miel) dans certaines régions et mince (comme l’eau) dans d’autres, où les particules finiront-elles ? Seront-ils piégés dans le miel, concentrés dans l’eau où ils se déplacent librement, ou répartis uniformément partout ? Il s’avère que la réponse dépend des détails de la façon dont l’interface entre les régions épaisses et minces sont traitées. Dans le présent projet, des techniques de simulation et de calcul seront utilisées pour étudier la diffusion de particules dans des systèmes 2D contenant des régions de différentes viscosités. Les concentrations relatives et les coefficients de diffusion effectifs des particules dans des arrangements épars (inclusions visqueuses aléatoires de différentes tailles) ou ordonnées (par exemple, des bandes alternant épaisseur et mince) seront étudiés. Des résultats seront générés pour plusieurs traitements des interfaces. Compte tenu de l’application à la libération de médicaments dans les systèmes biologiques ou à la dispersion de matières particulaires dans la préparation des aliments et le vieillissement, quelle approche est la plus physique ? Qu’est-ce que ces résultats nous disent sur l’efficacité de l’administration de médicaments ou de la combinaison de substances ? Pouvons-nous concevoir des configurations pour contrôler le mélange ou même séparer les particules en fonction de leur taille ?

Établir un lien entre la richesse et la santé pour les personnes âgées qui prennent leur retraite

Le projet vise à accroître la sensibilisation associée aux coûts financiers liés à la santé liés au vieillissement ; et renforcer la capacité d’autogestion après le départ à la retraite. Au cours de la première phase, une étude a été menée pour évaluer les besoins en matière de santé et de finances des résidents ruraux en préretraite (âgés de 45 à 70 ans). L’objectif était de cerner les lacunes dans les connaissances liées aux coûts et aux finances des soins de santé, afin que des outils éducatifs appropriés puissent être élaborés pour aider les personnes à prendre des décisions. Au cours de la deuxième phase, des modèles d’outils éducatifs (y compris des formats technologiques et papier) seront mis au point et des tests seront effectués pour apporter des améliorations avant une distribution plus large.

Populations de galaxies dans les amas de rayons X

Le projet X-ray X-tra Large (XXL) est une collaboration de recherche astronomique qui vise à utiliser une grande enquête aux rayons X des amas de galaxies pour répondre à des questions fondamentales dans la cosmologie et l’évolution des galaxies. Je suis un membre clé du projet XXL et je me spécialise dans l’utilisation d’observations multi-longueurs d’onde des galaxies dans les amas émettant des rayons X pour en apprendre davantage sur leur formation et leur évolution. Les projets d’étudiants précédents associés à l’enquête XXL ont inclus a) la création d’un algorithme informatique pour identifier les amas de galaxies comme des sur-densités spatiales de galaxies typiquement rouges telles qu’observées dans les images optiques afin de comparer leurs propriétés aux amas identifiés aux longueurs d’onde des rayons X, b) la réalisation et la réduction de la spectroscopie optique des amas de galaxies individuels afin de déterminer leur décalage vers le rouge, c) étudier le mélange de population de galaxies rouges par rapport aux galaxies bleues dans les amas en vue de comprendre le mécanisme physique qui provoque la transformation apparente d’une galaxie bleue formant des étoiles en une galaxie rouge et passive. J’ai une gamme de projets similaires adaptés à un étudiant de MITACS, y compris a) l’analyse d’images dans le proche infrarouge d’amas très éloignés pour en apprendre davantage sur la structure physique des galaxies d’amas dites les plus brillantes et b) la comparaison des catalogues d’amas générés à l’aide d’observations optiques et de longueurs d’onde de rayons X en vue de comprendre ce qui rend un amas de masse donnée détectable à des longueurs d’onde de rayons X ou non. Je m’attends à ce que la nature exacte de tout projet à étudier soit discutée et peaufinée avec tout participant intéressé.

Technologie pour améliorer la qualité de vie des personnes handicapées

Le projet sera axé sur le développement d’interfaces informatiques, d’outils et d’applications visant à améliorer la qualité de vie et l’autonomie des personnes handicapées. La combinaison d’outils en cours de développement comprennent ; 1) Des applications de gestion des tâches et d’organisation, ainsi que des applications de journal (tenue de dossiers et journal) qui soutiennent les personnes ayant des difficultés cognitives, y compris celles qui ont des lésions cérébrales et celles atteintes de démence à un stade précoce. 2) Une interface Skype simple et automatisée (CanConnect) qui permet aux personnes qui ne connaissent pas ou ne peuvent pas utiliser les ordinateurs de se connecter (par interaction audio et vidéo) avec leur famille, leurs amis ou les soignants à l’aide de Skype. 3) Un outil d’orientation et de navigation (CanGo) qui permet aux utilisateurs (par exemple, ceux qui ont des difficultés cognitives ou ceux qui ont une déficience visuelle) d’utiliser le système de transport en commun pour se rendre à l’école et en revenir, le lieu de travail pour se rendre à des amis ou leur rendre visite).

La construction d’un ellipsomètre à matrice Mueller à balayage rapide dans l’infrarouge moyen pour l’étude de l’adsorption des protéines à l’interface solide-liquide

Le projet proposé comprend la conception et la construction d’un ellipsomètre infrarouge à matrice Mueller à large bande en temps réel pour l’étude de l’adsorption des protéines à l’interface solide-liquide. En préparant un champ lumineux incident dans un état de polarisation bien défini, puis en caractérisant le changement de polarisation qui se produit lors de l’interaction avec un échantillon (par exemple, dans une géométrie de réflexion), il est possible d’en apprendre davantage sur de nombreux détails structurels des molécules qui ont interagi avec le faisceau. Ce champ en général est appelé polarimétrie ou ellipsométrie. Une technique récemment publiée par notre groupe est capable de mesurer tous les éléments de la matrice de transfert de polarisation, dans l’infrarouge moyen à partir de 400 à 4000 nombres d’ondes. Ceci est d’autant plus intéressant que cette région du spectre correspond à des vibrations moléculaires. Par conséquent, l’analyse des empreintes digitales de polarisation que nous observons peut être directement liée aux caractéristiques submoléculaires. Si les résultats correspondant à la vibration d’un groupe fonctionnel chimique particulier sont analysés quantitativement, il est possible de construire une distribution pour l’orientation de la liaison moléculaire. Si cela est effectué pour plusieurs modes vibratoires, nous apprenons la forme des molécules à l’interface solide-liquide. Les applications comprennent l’étude de la biocompatibilité des implants médicaux polymères, étudiant ainsi la propension à la dénaturation des protéines lors de l’adsorption à l’interface polymère-aqueuse. Bien que notre expérience existante soit puissante et ait démontré la preuve de principe, elle est lente, limitant ainsi ses applications à de nombreux problèmes scientifiques. L’étudiant de MITACS travaillant sur ce projet développerait un instrument avec la même capacité, mais d’une conception entièrement différente. Quatre modulateurs photoélastiques (cristaux piézoélectriques) seraient utilisés afin de moduler la lumière à différentes fréquences. La démodulation des signaux serait alors effectuée afin d’extraire les propriétés optiques, physiques et finalement chimiques d’intérêt.

Piégeage optique des nanoparticules et des antennes optiques

L’étudiant peut choisir entre deux sous-projets. La première concerne notre découverte récente du piégeage optique de nanoparticules qui est 10000 fois plus efficace que les méthodes passées. Avec cette amélioration, nous pouvons piéger, détecter et manipuler même des protéines uniques. Nous étudions la capacité de cette configuration de piégeage unique, qui sera la tâche de recherche de l’étudiant. Le deuxième projet comprend la conception de structures semblables à des antennes pour le régime visible-infrarouge. Ces antennes seront d’intérêt pour les sources de photon unique et photovoltaïque amélioré (cellules solaires).