204 - Matériaux

Les cellules endothéliales (CE) sont cruciales dans la réparation osseuse, sécrétant des facteurs ostéogéniques (BMP) et angiogéniques (VEGF). Notre équipe a montré que deux peptides, pFibro (fibronectine) et SpBMP-9 (BMP-9), greffés sur des films de polycaprolactone (PCL), favorisent la différenciation des cellules souches en ostéoblastes (Jann et al. 2020 Materials Science and Engineering C 114). L’objectif de cette étude est de vérifier la capacité de ces films à favoriser l'adhésion des CE et l’expression de facteurs ostéogéniques et angiogéniques.

L'adhésion des CE sur PCL a été analysée par marquage du cytosquelette (actine, vinculine) et du noyau (DAPI). Les CE adhèrent et s'étalent uniquement en présence de pFibro et/ou SpBMP-9, avec un effet synergique de la combinaison des deux peptides sur le cytosquelette dès 4h. Après 24h, des contacts intercellulaires se forment. La transduction du signal par SpBMP-9 a été étudiée via le marquage de la protéine phosphorylée Smad1/5 (pSmad 1/5). Dès 4h, la localisation nucléaire de pSmad1/5 est observée dans les CE sur PCL-SpBMP-9 et PCL-pFibro/SpBMP-9. L'impact de cette translocation sur l'activation des gènes est en cours d'analyse par qPCR. 

Ces travaux contribuent à mieux comprendre les interactions entre CE et biomatériaux, essentielles pour développer des substituts osseux. Des études futures porteront sur des cocultures avec des cellules souches mésenchymateuses, pour améliorer la vascularisation et la régénération osseuse.

Les matériaux bidimensionnels (2DMs) tels que le graphène sont intrinsèquement des systèmes électromécaniques. Leurs propriétés de transport quantique sont inévitablement influencées par les contraintes mécaniques. Le graphène a un grand potentiel pour des applications dans le domaine quantique, mais ses propriétés de transport quantique sous contrainte sont peu connues expérimentalement. Nous avons développé une méthodologie expérimentale pour étudier le transport quantique sous contrainte dans le graphène.

Nos mesures sur une première génération de transistors ont confirmé que l’étirement du graphène peut partiellement supprimer sa conductivité électronique en conformité avec la théorie. Ces transistors étaient très courts (80 nm) et leur niveau de désordre électrostatique était relativement élevé. Pour poursuivre nos études dans des dispositifs ultra-propres, tout en maintenant notre capacité à appliquer de grandes contraintes variables (~ 0 - 2 %), nous avons développé une nouvelle génération de dispositifs. Ces transistors ont une longueur de l’ordre de 1 micron et peuvent être recuits par réchauffement de Joule pour réduire leur désordre électrostatique. Nous présentons nos mesures de transport dans ces dispositifs, dans le but de (i) vérifier qu’il est possible de complètement supprimer la conductance de charge du graphène par contrainte mécanique et (ii) mesurer précisément l’effet de la contrainte sur la conductivité thermique à température ambiante.

La présentation vise à présenter le concept des limites planétaires sécuritaires et justes, surtout dans le contexte des sciences naturelles et génie. Les limites planétaires comprennent la température de réchauffement climatique, la biosphère, les eaux douces, les nutriments et les aérosols. La présentation vise à identifier les données de bases disponibles au Québec et dans la francophonie et à identifier les écarts au contexte global. Généralement, le Québec se situe dans les zones les plus sécuritaires. Cependant, les émissions excédentaires ont des impacts importants à critiques dans d’autres régions, ce qui entraine une plus grande fréquence de phénomènes extrêmes et autres phénomènes sociaux. Un défi est de faire les liens entre la construction locale et les indices globaux. Le carbone intrinsèque du carbone de la construction a souvent été négligé par rapport au carbone lié aux opérations. Les comptes montrent que la part du carbone intrinsèque du secteur de la construction au Canada doit mieux être prise en considération dans les décisions, qu’il y a des flux entre les provinces, les États-Unis, la Chine et le restant du monde. Des exemples de matériaux pour construire selon les limites planétaires seront expliqués. Notre patrimoine bâti doit être transformé et revitalisé pour faire face aux changements et planifier les transformations qui prennent plusieurs générations. 

L’impression 3D permet la conception de structures complexes par ajouts de matière, disposés couche par couche. Cependant, cette technologie émet des contaminants néfastes pour la santé humaine et principalement des particules ultrafines (PUF). De récents travaux ont mis en évidence que les paramètres de fabrication, comme la température et la vitesse d’extrusion, pouvaient jouer un rôle majeur dans les émissions de PUF. Ces émissions, ne pouvant être éliminées du processus d’impression, des solutions doivent être explorées pour les réduire à la source et ainsi limiter l’exposition des utilisateurs, en particulier en milieu de travail.

Ce projet de recherche vise à optimiser les paramètres de fabrication d’une imprimante 3D afin de réduire les émissions de PUF tout en assurant un produit imprimé de qualité (rendu de surface convenable, propriétés mécaniques satisfaisantes, etc.). Pendant le processus d’impression, nous avons mesuré en temps réel, les concentrations de PUF et les distributions granulométriques numériques. À chaque mesure, les paramètres de fabrication ont été ajustés selon un plan d’expériences multifactoriel établi préalablement.

Les retombées de cette recherche seront considérables. Les travailleurs seront moins exposés aux PUF tout en continuant à produire des pièces de haute qualité, et les fabricants d'imprimantes 3D auront des recommandations concrètes sur les paramètres d'impression optimaux pour minimiser les risques sanitaires. 

La straintronique est le domaine qui étudie comment les propriétés électroniques des matériaux sont modifiées par des contraintes mécaniques (déformations). Avec l'essor des matériaux 2D pour les dispositifs d'électronique quantique, il devient nécessaire de modéliser les déformations mécaniques au niveau de l'hamiltonien quantique. Les perturbations de l'hamiltonien dues aux déformations proviennent de deux sources : les déformations du réseau et les changements aux forces de liaison entre les atomes. Nous présentons ici une théorie générale qui tient compte de la symétrie des liaisons et qui nous permet de calculer l'effet complet des déformations en termes de paramètres de structure de bande pour des systèmes à une ou plusieurs couches 2D. Nous utilisons ensuite la théorie des groupes pour déterminer si et comment la déformation peut être décrite par un ou de multiples potentiels scalaires et vectoriels. Nous discutons de plusieurs matériaux 2D et présentons spécifiquement le graphène bicouche déformé comme une application pratique de notre modèle. Dans le graphène bicouche, nous identifions une échelle d'énergie, dépendante de la déformation, au-dessus de laquelle un seul potentiel vectoriel peut décrire la déformation mécanique. Cette simplicité pourrait grandement simplifier l’analyse de données expérimentales dans le domaine de la straintronique quantique. De plus, la généralité de notre modèle nous permet d'étudier systématiquement une plus large gamme de matériaux.

Dans les turbines Francis, le soudage multipasses relie les aubes à la couronne et à la ceinture. Les démarrages, les modes opératoires transitoires et les fluctuations de pression causent des variations cycliques des forces appliquées, causant des fissures de fatigue, surtout dans les soudures, où les contraintes sont les plus élevées. L'inspection et la réparation sont complexes, car la turbine est dans un puits au pied du barrage. La prédiction du comportement des fissures de fatigue est donc cruciale pour planifier les inspections et éviter les pannes imprévues.

Les contraintes résiduelles de compression prolongent la durée de vie en retardant l’initiation des fissures, augmentant leur fermeture et atténuant les contraintes de traction. Le martelage est particulièrement efficace pour les aciers à haute résistance, mais les recherches sur cette méthode restent limitées.

Cette étude combine des mesures expérimentales et une modélisation par éléments finis pour prédire la propagation des fissures de fatigue en présence de contraintes résiduelles induites par le martelage. Les contraintes résiduelles ont été mesurées par la méthode du contour, et les tests expérimentaux ont permis d’évaluer le taux de propagation des fissures. Ces résultats, intégrés dans un modèle par éléments finis, ont été comparés aux observations expérimentales. Ils contribuent à une gestion améliorée de la fatigue et à la prolongation de la durée de vie des turbines.

L'écoulement dans le processus de coulée par le bas de lingots de grande taille est étroitement lié à la qualité finale de l'acier. Le transport des inclusions et leur piégeage dépendent grandement du processus de remplissage dans le système de coulée et des moules. Dans cette étude, une modélisation par éléments finis d’un lingot d’acier de 20 tonnes a été utilisée pour étudier l’influence du degré d’ouverture de la buse sur l’écoulement du métal liquide et son effet sur le transport des inclusions non métalliques. L’effet du changement de géométrie de la buse a été pris en compte pour observer l'écoulement de l’acier liquide ainsi que l'évolution du transport des solutés pendant les phases de remplissage et de solidification. Le modèle établi prend en compte le comportement thermique et thermomécanique du métal au cours de la solidification. Deux types d’angles d’ouverture de buse ont été comparés dans cette étude : un angle de 9 degrés et un angle de 18 degrés. Ce travail permet de visualiser le suivi des particules, ce qui a abouti à une compréhension plus approfondie de la manière dont les particules sont piégées et a éclairé les emplacements d'entraînement possibles. Une relation de corrélation a été établie avec l’écoulement pour les deux scénarios étudiés. L'évolution de la température et de la vélocité à l’intérieur de notre lingot est discutée. Les résultats visent à identifier l’angle de buse le plus optimal pour améliorer la qualité des pièces moulées.

Le polycétone aliphatique (PK) est un thermoplastique écologique qui tire parti du monoxyde de carbone, une source majeure de pollution atmosphérique, dans son processus de polymérisation. Il est considéré comme une alternative durable au polyamide, un polymère d'ingénierie couramment utilisé dans l'industrie automobile et d'autres secteurs. Le PK se distingue par sa résistance aux chocs, sa résistance chimique, ainsi que ses propriétés tribologiques et de barrière, surpassant celles du polyamide. Toutefois, sa faible stabilité thermique limite ses performances à haute température et sa recyclabilité. Dans ce travail, nous mettons en évidence le potentiel du graphène en tant qu'additif multifonctionnel pour améliorer les propriétés thermiques et la recyclabilité du polycétone aliphatique (PK), tout en optimisant d'autres propriétés fonctionnelles, telles que les propriétés de barrière. Nous explorons également l'intégration du graphène dans des composites PK/fibres de verre afin de créer une structure hiérarchique renforçant l'interface entre le PK et les fibres, améliorant ainsi les propriétés mécaniques.

Le laitier de four à arc électrique (FAE), issu du processus d'élaboration de l'acier, peut potentiellement être intégré dans d'autres applications. Pour ce faire, il doit être analysé afin de respecter les normes de lixiviation du chrome (Cr) et de protéger l'environnement. Étant donné que la composition minéralogique du laitier influence la solubilité du Cr, ce travail examine la microstructure du laitier de FAE dans deux scénarios : avec et sans ajout de laitier de four à poche, à l'échelle industrielle. En premier lieu, des calculs thermochimiques ont été réalisés pour estimer les phases stables présentes. Ensuite, des validations en laboratoire ont été effectuées par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X et tests de lixiviation du Cr. Les résultats montrent que la majorité du Cr se trouve dans la phase stable spinelle, et l'absence de la phase verre qui est un point positif pour la lixiviation du chrome.

Ce projet de recherche aborde un défi crucial dans le domaine des aciers à haute résistance : l'optimisation simultanée de la résistance  et de la ténacité. Traditionnellement, l'amélioration de l'une de ces propriétés se faisait au détriment de l'autre, limitant ainsi les performances globales des matériaux. La contribution majeure de cette étude réside dans la découverte de cycles de traitement thermique non conventionnels capables d'améliorer à la fois la résistance et la ténacité. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux aux propriétés mécaniques supérieures. La méthodologie employée s'appuie sur une analyse approfondie de la relation entre la microstructure et les propriétés mécaniques des aciers. En utilisant des techniques avancées telles que la dilatométrie à haute résolution et la microscopie électronique , il a été possible d'observer et de quantifier les transformations de phase se produisant lors des traitements thermiques. Les résultats de cette étude sont prometteurs, démontrant qu'il est possible de dépasser les limites des traitements thermiques conventionnels. Ces découvertes pourraient révolutionner la conception et la fabrication d'aciers à haute performance pour des applications exigeantes dans divers secteurs industriels et ouvrent la voie à une nouvelle génération d'aciers innovants

Cette étude examine l'impact de divers paramètres dans un bain de trempe sur l'efficacité du processus de refroidissement rapide des blocs d'acier de plus de 28 tonnes. Le phénomène des non-uniformités de refroidissement observé lors des opérations de refroidissement pose un défi significatif. Pour aborder ce problème, la modélisation numérique par la CFD (Computational Fluid Dynamics) a été appliquée. Un modèle numérique a été développé pour prédire le processus de refroidissement rapide, s'avérant être un outil utile pour les analyses paramétriques. La méthodologie repose sur la création d'un modèle thermohydraulique transitoire, prenant en compte le système d'agitation par pompe ainsi que le changement de phase liquide-vapeur de l'eau. Ce modèle résout le système hydrodynamique turbulent tout en intégrant l'évaporation de l'eau en contact avec la surface chauffée. La calibration du modèle a été effectuée à partir des températures mesurées de l'eau et de la pièce dans le bain de refroidissement lors de son fonctionnement réel. Par la suite, une analyse paramétrique a été conduite pour quantifier l'effet du rapport entre la quantité d'eau dans le bain et la masse du bloc d'acier. Cette analyse visait à déterminer l'impact du volume d'eau sur l'agitation globale et la vitesse de refroidissement. Les résultats préliminaires indiquent que l'ajout d'eau entraîne une diminution de l'agitation, ce qui a conduit à un refroidissement moins accéléré que prévu.

Dans les dernières années, l’étude de transistors à effet de champ à base de graphène (GFET) s’est révélée pertinente pour la quantification de certains bioanalytes (Béraud et al., Analyst, 146(2), 403-428). Toutefois, l’utilisation de GFET en flux continu reste rare. Le but ici est donc d’étudier le fonctionnement des GFET en condition dynamique, afin de pouvoir comprendre l’impact de la vitesse de flux sur la détection de particules.

Nous avons fabriqué des GFET grâce à des techniques de microfabrication sur substrat de silicium/oxyde de silicium, par photolithographie et dépôt de graphène. Pour étudier l’impact de la vitesse de flux sur le fonctionnement des GFET, nous utilisons une plateforme de mesure unique, qui permet de faire varier le courant entre les électrodes drain et source grâce à l’application d’une tension de grille. Cette plateforme permet de mesurer les métriques électriques des GFET, comme le point de charge nulle et la transconductance. Nous présenterons comment ces métriques évoluent en fonction de la composition et du débit de la solution circulant à la surface des GFETs.

À terme, ce projet permettra de mieux comprendre les dynamiques de force en jeu perturbant la détection de particules au niveau du graphène des GFET.