Maîtrise en nanoscience et nanotechnologie

Les préoccupations environnementales croissantes, associées au besoin toujours plus grand d’énergie pour alimenter notre planète, ont provoqué un essor de la recherche sur le stockage et la conversion de l’énergie. Bien que des progrès remarquables aient été réalisés, de nombreux défis persistent, notamment en ce qui concerne l’efficacité, la stabilité et la longévité des matériaux et des dispositifs.

Les nanomatériaux et la nanotechnologie, avec leurs propriétés physico-chimiques et optiques exceptionnelles et polyvalentes, peuvent relever ces défis, mais nécessitent de nouveaux progrès dans la synthèse des nanomatériaux, la mise au point de catalyseurs, la conception d’interfaces de batteries et la caractérisation avancée des matériaux de batteries.

Ce projet portera sur la synthèse et la conception de nanomatériaux hybrides à base de points de carbone pour l’élaboration de batteries au lithium métallique à haute énergie et à longue durée de vie. Les travaux se concentreront sur les nanosystèmes présentant une fonction d’absorption élevée et une forte conductivité électronique pour les matériaux de batterie qui pourraient supprimer efficacement la dissolution du matériau actif. L’assemblage et l’évaluation du rendement des batteries seront également au cœur du projet.

Superviseur·es

• Pre Xia Li, Département de génie chimique et des matériaux
• Pr Rafik Naccache, Département de chimie et de biochimie

Les points quantiques sont d’excellents émetteurs de lumière à l’échelle nanométrique, avec une large bande passante et une bonne tolérance aux variations de température. Lorsqu’ils sont placés dans une cavité optique capable de confiner étroitement la lumière, ils peuvent constituer des lasers très performants.

Les réseaux topologiques d’éléments photoniques fournissent un mécanisme physique inédit pour créer un confinement optique distribué, qui résiste aux erreurs de fabrication et permet des tolérances de conception plus importantes.

L’objectif de ce projet est d’utiliser des simulations informatiques pour caractériser les lasers à points quantiques qui recourent au confinement topologique dans des géométries se prêtant à la fabrication. Les étudiantes et étudiants qui travaillent sur ce projet apprendront à effectuer des simulations informatiques de systèmes photoniques, à maîtriser les principes fondamentaux de la photonique topologique et à caractériser correctement le rendement d’un laser à points quantiques.

Superviseurs

• Pr John Xiupu Zhang, Département de génie électrique et informatique
• Pr Pablo Bianucci, Département de physique

Vu le problème mondial de plus en plus grave des changements climatiques, il devient crucial de se tourner vers des solutions d’énergie renouvelable et des moyens de réduire les émissions de carbone. Certaines émissions de carbone sont difficiles à éviter, de sorte que le captage, l’utilisation et le stockage du carbone sont parfois nécessaires. L’anhydrase carbonique est une catégorie d’enzymes qui catalyse l’hydratation et l’hydratation inverse du dioxyde de carbone, ce qui signifie qu’elle a le potentiel d’améliorer de manière considérable le captage du dioxyde de carbone dans les solutions aqueuses.

La difficulté liée à l’utilisation de l’anhydrase carbonique est que, comme beaucoup d’autres enzymes, elle est facilement dénaturée, en particulier dans les environnements plutôt difficiles des applications industrielles. Ces dernières années, un nombre assez important de travaux ont donc été consacrés à l’amélioration de sa stabilité au regard de la demi-vie, des températures extrêmes et des concentrations salines élevées, souvent grâce à l’utilisation de techniques informatiques pour cerner les résidus clés aux fins de mutation ou pour évaluer la stabilité qui résulte des mutants chimériques.

Nous prévoyons utiliser une combinaison de dynamique moléculaire et de techniques d’apprentissage actif de pair avec l’expérimentation pour cerner et explorer rapidement un espace de recherche raisonnable pour la conception de l’anhydrase carbonique afin d’augmenter la stabilité dans le cadre des environnements de pH extrême. En faisant un compromis entre l’exploration et l’exploitation d’un espace de recherche continu, nous déterminerons les points comportant la plus grande incertitude et offrant le plus grand potentiel de succès, et nous les évaluerons à l’aide de la dynamique moléculaire et de l’expérimentation, réduisant ainsi le temps nécessaire pour examiner les mutations susceptibles d’être défavorables. Dans l’ensemble, ce projet pourrait permettre d’améliorer les techniques de commercialisation des sources d’énergie renouvelable.

Superviseur·es

• Pre Ré Mansbach, Département de physique
• Pr Alex De Visscher,  Département de génie chimique et des matériaux

La durée de vie de nombreux composants des turbines à gaz est limitée par le rendement tribologique des matériaux et des revêtements utilisés en raison du grand nombre d’assemblages mécaniques complexes en contact et en mouvement dans les moteurs. Les matériaux capables de fonctionner efficacement dans diverses conditions permettront de relever de nombreux défis techniques en aérospatiale, depuis l’amélioration de la durabilité des aéronefs et la prévention de la défaillance prématurée des composants jusqu’à la conception de turbines à gaz inédites. En outre, l’élaboration et la mise en œuvre de matériaux résistant à l’usure dans les assemblages mécaniques en mouvement réduiront le nombre de pièces qui doivent être constamment réparées et, par conséquent, le coût de la révision.

L’objectif principal de ce projet est d’évaluer de manière critique les processus interfaciaux à l’échelle nanométrique dans les systèmes tribologiques des turbines à gaz (usure, friction, lubrification). À cette fin, des méthodologies expérimentales inédites seront élaborées et combinées avec des simulations de dynamique moléculaire pour étudier certains systèmes (par exemple, des systèmes à base de cobalt, de nickel et de chrome) dans des conditions extrêmes. Les connaissances atomistiques acquises permettront de mieux comprendre les phénomènes interfaciaux, qui serviront à mettre au point la prochaine génération de matériaux aérospatiaux capables de fonctionner efficacement dans des environnements difficiles.

Superviseurs

• Pr Gilles Peslherbe, Département de chimie et de biochimie
• Pr Pantcho Stoyanov, Département de génie chimique et des matériaux

Codirecteurs du programme

• Pablo Bianucci, Ph. D. – Département de physique
• Pantcho P. Stoyanov, Ph. D. – Département de génie chimique et des matériaux

Membres du comité du programme

• Ingo Salzmann, Ph. D. – Département de physique/Département de chimie et de biochimie
• Rafik Naccache, Ph. D. – Département de chimie et de biochimie
• Rolf Wuthrich, Ph. D. – Département de génie mécanique
• Mojtaba Kahrizi, Ph. D. – Département de génie électrique et informatique