Electronics at the interface with life

Inventer une électronique qui permette de communiquer efficacement avec les neurones : tel est l’enjeu du projet de recherches IONOS mené par Fabien Alibart, chercheur à l’institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN − Université de Lille/CNRS/ISEN/Université Polytechnique des Hauts-de-France/Centrale Lille). Le projet a été lancé, le 8 novembre 2018.

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Thèse : Transducteurs à base de polymères conducteurs : Fabrication, Caractérisation et Modélisation

NGUYEN Ngoc Tan

Thesis defence
21/09/2018
IEMN Amphitheatre


Summary:

Ces dernières années, les actionneurs à base de polymères conducteurs ioniques (poly (3,4-éthylènedioxythiophène : PEDOT) ultraminces ont surmonté un certain nombre d’obstacles en terme d’intégration qui ont permis d’accroître les applications potentielles dans les dispositifs de type microsystèmes. Une micro-fabrication sans aucune manipulation manuelle de ces actionneurs à tri-couches a été démontrée. Cependant les performances mécaniques de ces actionneurs étaient limitées pour une éventuelle utilisation dans un microsystème.

Le but de cette thèse a été d’optimiser la fabrication des transducteurs en couches minces, de caractériser complètement leurs propriétés électrochimiques, mécaniques et électromécaniques et de développer un modèle pour simuler leur capacité électromécanique bidirectionnelle d’actionnement et de détection.

Dans un premier temps, des actionneurs ultra-minces à base de PEDOT sont fabriqués par polymérisation en phase vapeur de 3,4-éthylènedioxythiophène associée à un procédé de synthèse couche par couche. La déformation en flexion et la force générées par ces actionneurs ont été mesurées et ont atteint respectivement 1% et 12 μN. Ceci constitue la première caractérisation de micro actionneurs ioniques à base de PEDOT fonctionnant dans l’air d’une épaisseur aussi faible (17 μm). Il a été observé que la méthode de fabrication utilisée induisait une dissymétrie des états de surface de chacune des électrodes.

Dans un second temps, les propriétés électriques, électrochimiques et mécaniques des micro actionneurs résultants ont été caractérisées. Celles-ci incluent : la conductivité électrique et la capacité volumétrique, le rapport empirique déformation/charge et le module d’Young de l’actionneur en fonction de l’état de charge de l’électrode PEDOT. La conductivité ionique des électrodes de PEDOT et de la matrice support d’électrolyte, le taux d’amortissement et la déformation linéaire de l’actionneur tri-couche ont également été mesurés.

Dans un troisième temps, un modèle multi-physique non linéaire a été proposé afin de prédire les réponses en mode actionneur et en mode capteur dans ces tri-couches. Ce modèle non linéaire est constitué d’un sous-système électrique représenté par un circuit équivalent RC, d’une matrice de couplage électromécanique et d’un sous-système mécanique décrit en utilisant une méthode d’éléments finis rigides. Le modèle proposé a été représenté en utilisant un formalisme Bond Graph et a utilisé l’ensemble des paramètres caractérisés. La concordance entre les simulations et les mesures a confirmé la précision du modèle dans la prédiction de la réponse électrochimique dynamique et mécanique non linéaire des actionneurs. En outre, les informations extraites du modèle ont également fourni un aperçu des paramètres critiques des actionneurs et de leur incidence sur l’efficacité de l’actionneur, ainsi que sur la distribution de l’énergie : l’énergie dissipée, stockée et transférée. Ce sont les paramètres clés pour concevoir, optimiser et contrôler le comportement d’actionnement d’un actionneur tri-couche.

Enfin, un modèle linéaire électromécanique bidirectionnel a été introduit pour simuler la capacité de détection du transducteur. La simulation correspond de manière cohérente aux résultats expérimentaux dans les domaines de fréquence et de temps d’un déplacement d’entrée sinusoïdal

Les modèles proposés sont prometteurs pour la conception, l’optimisation et le contrôle de futurs dispositifs microsystèmes souples pour lesquels l’utilisation de transducteurs en polymère devrait être essentielle.

 

 

JURY :

– M. Alejandro A. FRANCO, Professeur des Universités, UPJV/ CNRS UMR 7314, Amiens.

– M. Herbert SHEA, Professeur l’Université de EPFL, Neuchâtel.

– M. Edmond CRETU, Professeur de l’Université de Colombie Britannique, Vancouver

– M. Mu CHIAO, Professeur de l’Université de Colombie Britannique, Vancouver

– Mme. Ludivine FADEL, Professeur des Universités, IMS UMR 5218, Talence

– M. Éric CATTAN, Professeur des Universités, UPHF / IEMN, Valenciennes

– M. Sébastien GRONDEL, Professeur des Universités, UPHF / IEMN, Valenciennes

– M. John D.W. MADDEN, Professeur de l’Université de la Colombie Britannique, Vancouver

– M. Cédric PLESSE, Maître de conférences HDR, LPPI, Cergy Pontoise, Invité

 

 

 

 

 

Phénomènes moléculaires dans l’endommagement de l’ADN par rayonnements ionisants

Fabio LANDUZZI

Thesis defence
14/12/2018
IEMN Amphitheatre


Summary:

Cette thèse est consacrée à une enquête sur la structure et la dynamique, avec des modèles théoriques et essais de laboratoire, sur deux types communs de défauts arrivant dans la molécule d’ADN, après des dégâts de radiation ou le produit chimique: mésappariements des bases (MB) et casseurs de brin.

Tels défauts pourraient arriver naturellement, d’imperfections dans le processus cellulaire, induit par l’environnement et ou induit artificiellement, comme pour la radiothérapie de cancer.

Nous avons utilisé la spectroscopie de force moléculaire exécutée par des pinces optiques accompagnées par des simulations all-atom en Dynamique Moléculaire (MD), pour caractériser des MB dans des hairpin d’ADN.

Ensuite nous avons construit des modèles structurels pour les casseurs de brin d’ADN, dans les deux indexent les éléments constitutifs de la chromatine: le ADN linker et le nucléosome. Grâce à l’application de diffèrent techniques (Essential Dynamics, Steered MD, …) on a caractérisé les stades précoces de l’évolution de cette lésion d’ADN dans les deux éléments.

Abstract:

This thesis is dedicated to a combined theoretical and experimental investigation of the structure and dynamics of two common types of defects occurring in the DNA molecule, after chemical or radiation damage: base mismatches and strand breaks.

We used single-molecule force spectroscopy performed by optical tweezers accompanied by Molecular Dynamics (MD) all-atom simulations, to characterize mismatches in short DNA hairpins. We demonstrate that it is possible to use SMFS

Subsequently, we designed structural models for the DNA strand-break defects, in the two key constitutive elements of the chromatin: the DNA linker and the nucleosome. Using different techniques (Essential Dynamics, steered MD, covariant mechanical stress, …) we characterized the early stages of the evolution of this DNA lesion in the two elements.

JURY :

– Fabrizio CLERI, Université de Lille, Directeur de thèse

– Elise DUMONT, Ecole Normale Supérieure de Lyon, Rapporteur

– Jean-François ALLEMAND, Ecole Normale Supérieure de Paris, Rapporteur

– Enrico CARLON, Katholieke Universiteit Leuven, Examinateur

– Felix RITORT, Universidad de Barcelona, Examinateur

Thèse : Conception et fabrication de neurones artificiels pour le traitement bioinspiré de l’information

HEDAYAT Sara

Thesis defence
18/09/2018 – 10:30
IRCICA


Summary:

L’industrie de la microélectronique fait face à de nombreux défis dont le principal est celui d’augmenter les performances des ordinateurs tout en réduisant leur consommation d’énergie. Actuellement, les technologies du traitement d’information ont atteint leurs limites et il devient donc urgent de proposer de nouveaux paradigmes de traitement de l’information. Par ailleurs, le cerveau humain est un organe fascinant et puissant capable de performances remarquables dans les domaines aussi variés que l’apprentissage, la prédiction, mais aussi la créativité. Avec ses 300 milliards de cellules, il est capable d’effectuer des tâches

cognitives en consommant une vingtaine de watts. Dans ce contexte, nous avons travaillé sur un nouveau paradigme appelé « neuromorphic computing » ou le traitement bio-inspiré de l’information.

Utilisant de récentes avancées scientifiques en neurosciences et en nanotechnologies, l’objectif de cette thèse est de concevoir et fabriquer un neurone artificiel a très faible consommation. D’abord, nous avons étudié le fonctionnement d’un neurone vivant, sa membrane neuronale, et avons exploré trois modèles de membranes connues sous les noms de Hodgkin Huxley, Wei et Morris Lecar. Reposant sur le modèle de Morris Lecar, nous avons ensuite conçu des neurones artificiels analogiques à impulsions présentant différentes constantes de temps. Ces neurones ont été fabriqués avec la technologie 65nm CMOS et leur caractérisation a démontré des performances dépassant l’état de l’art en matière de surface occupée, puissance dissipée et efficacité énergétique. Finalement, nous avons analysé  et comparé le bruit généré dans ces neurones artificiels avec celui présent dans des neurones biologiques et nous avons démontré expérimentalement le phénomène connu sous le nom de résonance stochastique.

Ces neurones artificiels peuvent être extrêmement utiles dans une large variété d’application allant du traitement de données aux applications médicales.

 

JURY :

– Directeur(s)-rice(s) de thèse : Alain CAPPY et Virginie Hoel

– Rapporteurs : Damien QUERLIOZ  et Sylvain SAÏGHI

– Examinateurs (rices) :  Cécile DELACOUR, Ian O’CONNOR, Nathalie ROLLAND,  Alexandre VALENTIAN

 

 

 

 

Thèse : Cristaux phononiques hypersoniques accordables à base de matériaux hybrides :organique/inorganique

GUEDDIDA Abdellatif

Thesis defence
24/07/2018 – 9:00
Faculté des Sciences d’Oujda – Maroc


Summary:

Un cristal phononique est un arrangement périodique de matériaux dont les propriétés élastiques différent selon une, deux ou trois dimensions, conduisant à la formation de bandes interdites omnidirectionnelles. Ces matériaux artificiels présentent des propriétés physiques nouvelles comme la réfraction négative ou les isolants topologiques et concernent différents domaines de la physique comme l’acoustique, l’optomécanique, la thermique… Leur réalisation à l’échelle submicronique permet de placer ces propriétés dans la gamme hypersonique. Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude théorique et numérique de la propagation des ondes élastiques dans des cristaux phononiques hypersoniques à base de matériaux hybrides en relation étroite avec des expériences de diffusion de la lumière, effectuées au Max Planck de Mainz. Les principales quantités étudiées sont les courbes de dispersion, les champs de déplacement élastique et le spectre de diffusion de la lumière. Les chapitres successifs abordent les cas de rainures à haut facteur d’aspect déposés sur un substrat, ainsi que ceux de cristaux structurés à 1D et 2D. Au-delà de la compréhension des structures de bandes dans ces matériaux, la comparaison avec les résultats expérimentaux permet de discuter et de caractériser les propriétés physiques des matériaux constituants et aussi de leur évolution vis à vis du vieillissement et des techniques de fabrication. Enfin, un dernier chapitre est consacré au développement d’une méthodologie numérique nouvelle pour le calcul des spectres Brillouin, avec des retombées potentielles dans les calculs optomécaniques.

 

JURY :

– Directeur(s)-rice(s) de thèse : PENNEC Yan, EL BOUDOUTI EL Houssaine

– Rapporteurs : KHELIF Abdelkrim, FETTOUHI Nour eddine

– Examinateurs (rices) : BONELLO Bernard, EL HASSOUANI Youssef, OUCHANI Noama, DJAFARI-ROUHANI Bahram

 

 

 

Thèse : Surfaces actives pour l’activation contrôlable de la programmation moléculaire basée sur l’ADN en microfluidique

IEVGEN Kurylo

Thesis defence
27/06/2018 – 13:00
IEMN Amphitheatre


Summary:

Les organismes vivants prennent des décisions en permanence à l’aide de réseau de réactions chimiques couplées (CRN) les unes aux autres. Cette capacité a inspirée de nombreux scientifiques qui cherchent aujourd’hui à construire des versions synthétiques de ces réseaux pour créer des systèmes dynamiques complexes.

Les molécules d’ADN constitue une solution idéale pour construire de tels CRNs du fait de la nature programmable et prévisibles de leurs interactions. Un des exemples les plus récents d’un système à base d’ADN est la PEN (Polymérase, Exonucléase et Nickase) toolbox. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit vise à développer des surface actives qui permettent d’interagir avec la PEN toolbox en environnement microfluidique afin de pouvoir utiliser pleinement le potentiel de tels systèmes moléculaires.

Dans un premier temps nous avons étudié l’utilisation de la PEN toolbox en microfluidique en explorant différents paramètres afin de faciliter l’adoption de cette approche de programmation moléculaire.

Nous discuterons ensuite de la réalisation de surfaces actives et de leur caractérisation. Celles-ci sont concues pour permettre l’immobilisation de brins d’ADN via une liaison thiol et leur largage en solution en rompant électro-chimiquement cette liaison. Nous discuterons également d’aspect technique permettant l’intégration aisée d’une telle stratégie dans des dispositifs microfluidiques. Nous démontrerons l’efficacité de cette approche dans un cas simple d’activation puis d’autocatalyse programmé à l’aide de la PEN toolbox.

Par la suite, montrerons qu’il est possible de contrôler spatio-temporellement le largage d’instructions à base d’ADN. Pour ce faire, nous nous appuierons sur une version plus évoluée de l’auto-catalyseur présenté précédemment. Nous mettrons en évidence qu’il est possible d’initier de façon contrôlée des phénomènes de réaction-diffusion dans des canaux microfluidiques.

Pour finir, nous ouvrirons des perspectives pour la conception de surface actives permettant un niveau de contrôle encore plus grand des systèmes moléculaire via la réalisation de motifs statiques de greffage d’ADN ou l’utilisation d’actionneurs électriques réutilisables.

JURY :

– Directeurs de thèse : L. BUCHAILLOT,  Y. COFFINIER,   A. VLANDAS

– Rapporteurs :   A. GALTAYRIES – CHIMIE PARIS,   V. TALY – UNIVERSITE PARIS DESCARTES

– Examinateurs (rices) :  S. INGEBRANDT – RWTH Aachen,  J.-C. GALAS – Université Pierre et Marie Curie,  R. BOUKHERROUB – Université de Lille

 

 

Thèse : Communications sans fil dans des interférences dynamiques – modélisation, capacité et applications

LOPES DE FREITAS Mauro

Thesis defence
13/06/2018 – 10:30
Amphithéâtre IRCICA


Summary:

Cette thèse se concentre sur l’étude du bruit et des interférences présentant un comportement impulsif, un attribut que l’on peut retrouver dans de nombreux contextes comme les communications sans fil. Cette interférence est caractérisée par la présence d’amplitudes élevées pendant des durées courtes. En fait, ces caractéristiques indésirables conduisent à des queues de distributions plus lourdes qui peuvent être modélisées par la distribution α-stable. En particulier, nous étudions le comportement impulsif qui se produit dans les réseaux de communication à grande échelle qui forme la base de notre modèle d’interférence dynamique. Plus précisément, une telle interférence peut se rencontrer dans des réseaux hétérogènes avec des paquets courts à transmettre, comme dans l’Internet des objets, lorsque l’ensemble des interférents actifs varie rapidement. La première partie de ce travail est d’étudier la capacité des canaux de bruit α-stable, qui n’est pas bien comprise actuellement, sauf dans le cas du bruit de Cauchy (α = 1) avec une contrainte logarithmique et du bruit gaussien (α = 2) avec une contrainte de puissance. Nous calculons des bornes inférieures et supérieures pour la capacité avec une contrainte de moment de la valeur absolue (amplitude). Nous considérons les canaux à bruit symétrique additif α-stable avec α ∈ ]1, 2]. Nous utilisons ensuite un algorithme inspiré du Blahut-Arimoto afin de comparer les bornes proposées, ce qui permet en particulier d’évaluer l’effet des paramètres de bruit sur les bornes. Nous étendons ensuite le travail à la capacité de canaux à bruit additif complexe, isotrope α-stable et l’impact de nos limites dans des contextes pratiques.

JURY :

– Directeur de thèse : Laurent CLAVIER

– Co-encadrant : Malcolm EGAN

– Rapporteurs : Philippe CIBLAT, Marco DI RENZO

– Examinateurs : Mérouane DEBBAH, Gareth W. PETERS, Michèle WIGGER, Atika RIVENQ