Projets novateurs 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 la spectroscopie Raman et optique des nanomatériaux et composés en vrac à l’échelle nanométrique afin de mieux comprendre l’interaction entre de nombreux processus physiques. Cela nous permet non seulement d’explorer les bases physiques de base des effets novateurs, mais aussi de mieux caractériser et optimiser les dispositifs. Trois matériaux différents seront au cœur de cette étude : les supraconducteurs à haute température, les isolants topologiques et les nanofils semi-conducteurs. Les trois offrent des occasions uniques d’étudier l’émergence de nouvelles propriétés à mesure qu’un matériau est ajusté à l’échelle nano, 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.

Une attention particulière sera accordée à la réponse spectroscopique Raman de ces matériaux. Le Raman est une technique puissante car elle peut mesurer simultanément les propriétés du réseau, magnétiques, thermiques et électroniques d’un matériau. De plus, chaque matériau possède une signature Raman unique et donc Raman peut être utilisé pour « empreinte » un composé inconnu ou cartographier la composition sur une grande surface. Tout cela est réalisé par la diffusion d’un faisceau laser focalisé, offrant une résolution spatiale de 1 micron. Récemment, notre groupe a commencé à jumeler un système Raman avec un microscope sonde à balayage, nous permettant de mesurer la réponse Raman avec une résolution de 10 nm. Cette performance inégalée fournira des éclairages clés sur le rôle de l’inhomogénéité à l’échelle nanométrique dans de nouvelles propriétés ainsi que la caractérisation complète des nanomatériaux uniques (points quantiques, nanofils, matériaux exfoliés). 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 dispositif à l’échelle nanométrique. Ces spectres TERS seront acquis pendant l’utilisation de l’appareil afin de mieux comprendre les limites réelles de ses performances ainsi que les origines de nouveaux comportements qui émergent.

Quantification de la turbulence stratifiée dans les courants gravitationnels

L’étudiant travaillant sur ce projet déterminera comment la dynamique interne du mélange influence le degré auquel les courants gravitationnels entraînent le fluide. Les courants gravitationnels sont des flux importants pour l’océanographie qui se forment lorsque l’eau dense dévale le versant continental. Il existe aussi de nombreuses applications d’ingénierie importantes, comme l’élimination dense des eaux usées provenant d’une usine de dessalement, ou le sort des courants de turbidité sous-marins.

L’étudiant mènera des expériences en laboratoire utilisant la vélocimétrie par image de particules, un vélocimètre Doppler acoustique et des 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 interne du mélange dépendent du taux d’entraînement massif des courants gravitationnels.

On prévoit que, dans le programme de 12 semaines, suffisamment de données expérimentales seront recueillies pour mener à une publication ultérieure dans des revues évaluées par les pairs.

Génomique comparative pour identifier les associations fonctionnelles

De nombreux génomes microbiens ont été complètement séquencés. Les données de présence/absence pour des milliers de gènes à travers une grande diversité d’espèces permettent d’identifier rapidement des gènes fonctionnellement associés. En raison de l’ascendance partagée entre espèces biologiques, cette 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 le test de deux modèles de chaînes de Markov, l’un supposant sans association fonctionnelle (avec quatre paramètres) et l’autre en supposant une association (avec huit paramètres) par un test de rapport de vraisemblance. Par le passé, cela n’était fait que pour de petits ensembles de données de façon semi-automatisée. Ce projet va 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 sur les processus stochastiques et les méthodes d’estimation statistique pour faciliter leur participation future en tant qu’étudiants diplômés.

Extraction des propriétés mécaniques des matériaux à petite échelle à l’aide de lasers ultrarapides

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

Interactions ultrarapides laser-matière 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 de bactéries nageant dans divers systèmes fluidiques

Les bactéries et les cellules ont des capacités et des stratégies de nage 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 nageantes à se concentrer d’un côté de la clôture. Ce n’est pas très différent de la façon dont on capture les homards!

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

Si le temps le permet, nous examinerons aussi le rôle de la chimiotaxie (les cellules ont tendance à nager vers les sources de nourriture) et des interactions cellule entre cellules (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 l’on considère une solution épaisse (comme le miel) dans certaines régions et mince (comme l’eau) dans d’autres, où les particules finiront-elles? Vont-ils rester 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 est traitée. Dans ce projet, des techniques de simulation et numériques seront employées pour étudier la diffusion des particules dans des systèmes 2D contenant des régions de viscosités différentes. Les concentrations relatives et les coefficients de diffusion effectifs des particules dans des arrangements fragmentaires (inclusions visqueuses aléatoires de différentes tailles) ou ordonnés (par exemple, bandes alternant épaisses et minces) seront étudiés. Des résultats seront générés pour plusieurs traitements des interfaces. En considérant l’application à la libération de médicaments dans les systèmes biologiques ou à la dispersion des particules dans la préparation et le vieillissement des aliments, quelle approche est la plus physique? Que nous disent ces résultats sur l’efficacité de la distribution de médicaments ou du mélange de substances? Peut-on concevoir des configurations pour contrôler le mélange ou même séparer les particules selon leur taille?

Relier la richesse à la santé pour les aînés en voie de retraite

Le projet vise à accroître la sensibilisation aux coûts financiers liés à la santé chez le vieillissement; et renforcer la capacité à s’autogérer après la retraite. Lors de la première phase, une étude a été menée évaluant les besoins de santé et financiers des résidents ruraux en préretraite (45-70 ans). L’objectif était d’identifier les lacunes dans les connaissances liées aux coûts et aux finances des soins de santé, afin que des outils éducatifs appropriés puissent être développés pour aider les individus dans la prise de décision. Dans la deuxième phase, des modèles des outils éducatifs (y compris les formats technologiques et papier) seront développés et des tests seront réalisés pour améliorer avant une diffusion 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 visant à utiliser une vaste enquête aux rayons X des amas de galaxies pour répondre à des questions fondamentales en cosmologie et évolution galactique. Je suis un membre clé du projet XXL et je me spécialise dans l’utilisation d’observations multi-longueurs d’onde de galaxies dans des amas émetteurs de rayons X afin d’en apprendre davantage sur leur formation et leur évolution. Les projets étudiants précédents associés à l’enquête XXL ont inclus a) la création d’un algorithme informatique pour identifier les amas de galaxies comme des surdensités spatiales de galaxies typiquement rouges observées dans des images optiques afin de comparer leurs propriétés à celles identifiées aux longueurs d’onde des rayons X, b) la réalisation et la réduction de la spectroscopie optique de groupes de galaxies individuels afin de déterminer leur décalage vers le rouge, c) Étude du mélange de population des galaxies rouges versus bleues dans les amas dans le but de comprendre le mécanisme physique qui cause la transformation apparente d’une galaxie bleue formant des étoiles à une galaxie rouge et passive. J’ai une série de projets similaires adaptés à un étudiant de MITACS, incluant a) l’analyse d’images proche infrarouge d’amas très éloignés pour apprendre la structure physique des galaxies dites les plus brillantes des amas et b) la comparaison des catalogues d’amas générés à l’aide d’observations optiques et de longueurs d’onde de rayons X afin de comprendre ce qui rend un amas de masse donnée détectable à des longueurs d’onde de rayons X ou non. Je prévois que la nature exacte de tout projet à étudier sera discutée et affinée avec tout participant intéressé.

La technologie pour améliorer la qualité de vie des personnes en situation de handicap

Le projet portera sur le développement d’interfaces informatiques, d’outils et d’applications visant à améliorer la qualité de vie et l’autonomie des personnes en situation de handicap. La série d’outils en cours de développement comprend : 1) Applications de gestion des tâches et d’organisation, ainsi que des applications de journal (tenue de dossiers et journal intime) qui soutiennent les personnes ayant des difficultés cognitives — y compris celles ayant 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) à la famille, aux amis ou aux aidants via Skype. 3) Un outil de guidage et de navigation (CanGo) qui permet aux utilisateurs (par exemple ceux ayant des troubles cognitifs ou des personnes ayant une déficience visuelle) d’utiliser le système de transport en commun pour se rendre et revenir de l’école, du lieu de travail ou de rendre visite à des amis.

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

Le projet proposé implique la conception et la construction d’un ellipsomètre à matrice Mueller infrarouge 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’apprendre de nombreux détails structurels des molécules qui ont interagi avec le faisceau. Ce domaine est généralement 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 le moyen infrarouge, de 400 à 4000 nombres d’onde. C’est particulièrement intéressant puisque cette région du spectre correspond aux vibrations moléculaires. En conséquence, l’analyse des empreintes digitales de polarisation que nous observons peut être directement liée à des caractéristiques sous-moléculaires. 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 des liaisons moléculaires. Si cela est réalisé pour plusieurs modes vibratoires, on apprend la forme des molécules à l’interface solide-liquide. Les applications incluent l’étude de la biocompatibilité des implants médicaux polymériques, 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 pour moduler la lumière à différentes fréquences. La démodulation des signaux serait ensuite effectuée afin d’extraire les propriétés optiques, physiques et ultimement 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 des nanoparticules, qui est 10 000 fois plus efficace que les méthodes précédentes. Avec cette amélioration, nous pouvons piéger, détecter et manipuler même une seule protéine. Nous étudions la capacité de cette configuration unique de piégeage, qui sera la tâche de recherche de l’étudiant. Le deuxième projet consiste à concevoir des structures semblables à des antennes pour le régime infrarouge visible. Ces antennes intéresseront les sources à photons uniques et les photovoltaïques améliorés (cellules solaires).