Depuis quelques années, nous observons un regain d'intérêt des scientifiques pour les instabilités élastiques observées lors de la déformation sous contrainte de systèmes tels que des multi-couches ou des coques rigides. Le nombre de structures complexes pouvant être générées à partir de ce phénomène initialement étudié par Leonhard Euler a cru de manière exponentielle ces dernières années. En plus de leur intérêt purement académique, ces instabilités sont génératrices de formes tridimensionnelles parfois étonnantes, elles présentent un grand potentiel d'application en tant qu'alternative aux techniques de (photo) lithographie pour la préparation de micro-structures utilisables en optique ou en microfluidique. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur un des aspects de ces instabilités élastiques: la formation de rides de compression dans des membranes rigides déposées sur des substrats mous (élastomères). Cette étude nous a permis de mieux comprendre le contexte général des instabilités élastiques de membranes d'un point de vue essentiellement expérimental. Deux aspects ont été développés dans ce travail. D'une part, la modification de films de polydiméthylsiloxane (PDMS) par des traitements UV/Ozone et Plasma Kleaner de manière à créer une membrane rigide en surface. D'autre part, la formation de microstructures par la compression ou l'extension de ces films d'élastomères. En jouant sur le traitement en surface (UV ou Plasma) et sur la symétrie de la compression nous avons obtenu un large panel de morphologies contrastées, de la simple « tôle ondulée » micrométrique aux chevrons, structure complexe parfaitement organisée. L'influence des différents paramètres, temps d'irradiation, taux de compression, ... sur la régularité de ces microstructures a été étudiée en détails. D'une manière étonnante, les échantillons traités suffisamment longtemps présentent, en plus des rides microscopiques, une courbure globale permanente. En jouant sur la forme des zones irradiées et la nature de la compression, nous avons créé des surfaces présentant des courbures de Gauss permanente négative (selle de cheval) ou positive (calotte sphérique). Par un choix approprié de la direction de compression, il est même possible d'obtenir des structures tridimensionnelles hélicoïdales. Enfin, nous avons étudié un exemple d'application des micro-structures obtenues par instabilités élastiques, la superhydrophobie. En effet la réalisation de surfaces superhydrophobes fait intervenir non seulement la nature chimique du matériau mais également la morphologie de sa surface. En ajustant les caractéristiques de la microstructuration du PDMS, nous avons pu étudier la transition Wenzel - Cassie indiquant le passage d'une morphologie en gouttes « empalées » vers une morphologie de type « fakir » pour les topographies les plus fortes. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives. Du point de vue des applications, de nombreuses propriétés des matériaux peuvent être modulées grâce à une structuration des surfaces à l'échelle micrométrique. D'un point de vue plus fondamental, ce travail expérimental ouvre la voie à des études théoriques dans le domaine de la morphogénèse et de la physique non linéaire. L'apparition des formes et des structures par l'intermédiaire d'instabilités est une des voies vers la complexité.

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'impact de gouttes de fluides à seuil. Au-delà des applications (impression à jet d'encre solide, modélisation d'impact solide à grandes vitesses), cette étude permet de sonder le rôle de l'élasticité sur le comportement à temps court de ces fluides complexes. D'abord, nous nous sommes intéressés aux impacts sur une surface rigide. L'utilisation de fluides à seuil modèles (solutions concentrées d'argiles, micro-gel de Carbopol) et de surfaces d'impact variées (partiellement mouillante ou super-hydrophobe), révèle une grande variété de comportements, allant de l'étalement viscoplastique irréversible jusqu'à des déformations élastiques géantes. Un modèle minimal d'étalement inertiel, incluant une rhéologie élasto/viscoplastique, permet de décrire dans un cadre unique les principaux régimes observés. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence un phénomène spécifique avec le Carbopol : pour des grandes vitesses d'impact, on observe un étalement beaucoup plus grand sur des surfaces rugueuses hydrophobes que sur des surfaces lisses. Cette réduction apparente du frottement basal est discutée en termes de longueur de glissement et d'instabilité de " splash ". Enfin, nous avons étudié l'impact d'une goutte de fluide sur un sol constitué du même fluide, en utilisant un fluide à seuil transparent (Carbopol). La combinaison de lois d'échelle, d'expériences en " micro-gravité " et de mesures locales du champ de déformation montre que la dynamique du cratère transitoire est dominée par l'élasticité, même au-delà du seuil d'écoulement. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le contexte des impacts de météorites en astrophysique.

Les matériaux carbonés présentent de nombreux avantages pour les domaines des nanotechnologies et de l'environnement.La mixité de chiralité des nanotubes de carbone limite leur application dans les appareils électroniques et le nano-confinement. Dans une première partie, ce travail de thèse s'est concentré sur la séparation en chiralité de nanotubes de carbone de type CoMoCAT, afin d'élaborer de nouveaux nano-conteneurs.Après sélection en chiralité, nous avons évalué les propriétés sous hautes pressions des fagots de nanotubes sélectionnés, et leur interaction avec l'eau. Les résultats ont montré que les fagots supportent des pressions jusqu'à 17 GPa, avant de subir un effondrement radial réversible, permettant de les utiliser en tant que nano-enclumes.L'élaboration d'une éponge de carbone (super)hydrophobe pour le traitement des eaux après pollution aux hydrocarbures a été décrite dans une seconde partie. La pyrolyse de mousses polymères a permis de conserver la très grande porosité de la mousse (> 99%), tout en lui conférant des propriétés proches de la superhydrophobie et de grandes capacités d'absorption de pétrole et solvants organiques (85-200 g/g). L'élasticité du matériau permet sa régénération par simple compression mécanique : récupération du polluant et réutilisation de l'absorbant. De plus, cette caractéristique reste valable même après une centaine de cycles de compression-décompression, en conservant 81% de sa capacité d'absorption dans le cas du pétrole brut / Carbon materials present many advantages for the nanotechnology and environment fields. The chirality mixity of carbon nanotubes limits their application in electronic devices and the nano-confinement. In the first part, this thesis has focused on the chirality separation of CoMoCAT carbon nanotubes, in order to elaborate new nano-containers.After the chirality selection, the properties of selected nanotubes bundles under high pressure were evaluated, as well as their interaction with water. The results show that the bundles support pressures until 17 GPa, before to undergo a reversible collapse, allowing their application as nano-anvils.The (super)hydrophobic carbon sponge elaboration for the clean-up of water polluted by oils was described in the second part. The polymeric foams pyrolysis allows to keep the very high foam porosity (> 99%), to give properties next to the superhydrophobicity and large absorption capacities in oils and organic solvents (85-200 g/g). The material elasticity allows its regeneration by simple mechanical compression : recovery of pollutant and re-use of the absorbant. Moreover, this feature remains valid after a hundred compression-decompression cycles, with 81% of the initial crude oil absorption capacity

Cette thèse conclut 3 années d'études doctorales sur le "dépôt de couches atomiques (ALD) de nitrure de bore (BN)". Le but de ce travail a été d'adapter la voie des céramiques dérivées de polymères (PDC) à la technique ALD pour la croissance de films minces de h-BN et l'élaboration de nanostructures fonctionnelles. Tout d'abord, un nouveau procédé d'ALD sans ammoniac en deux étapes, comprenant une croissance par ALD à basse température (80 °C) de polyborazine (PBN) à partir de 2,4,6-trichloroborazine et d'hexaméthyldisilazane suivi un traitement thermique à haute température sous atmosphère contrôlée a été développé. Ainsi, des films minces uniformes et homogènes de BN ont pu être déposés sur divers substrats. Le caractère autolimité des réactions mises en jeu ainsi que l'homogénéité des films sur des supports très structurés ont été vérifiés. De ce fait des nanostructures fonctionnelles BN ont été réalisées à partir de substrats ou de templates de dimensionnalité variée. Leurs applications en tant que revêtements protecteurs et comme filtres et éponges absorbantes pour purifier les eaux polluées par des hydrocarbures ont en particulier été étudiées. Enfin, un deuxième procédé ALD basse température (85-150°C) utilisant le tri(isopropylamino)borane et la méthylamine comme précurseurs a été préalablement étudié afin de confirmer l'adaptabilité de la voie PDC et la technique ALD. Des films minces de BN ont été obtenus sur des substrats plans et il a été prouvé que les vapeurs de tri(isopropylamino)borane peuvent infiltrer des fibres de polyacrylonitrile électrofilées.Ce travail a été entièrement réalisé à l'Université de Lyon et a reçu le soutien financier du China Scholarship Council (CSC) pour la bourse de doctorat ainsi que de l'Agence Nationale de la Recherche (projet n° ANR-16-CE08-0021-01) / This thesis achieves 3 years of PhD studies on “Atomic layer deposition (ALD) of boron nitride (BN)”. The aim of this PhD work is to adapt the polymer derived ceramics (PDCs) route to the ALD technique for h-BN thin film growth and elaboration of functional nanostructures. A novel two-step ammonia-free ALD process, which includes ALD deposition of polyborazine at low temperature (80 °C) from 2,4,6-trichloroborazine and hexamethyldisilazane followed by post heat treatment under controlled atmosphere, has been established. Conformal and homogeneous BN thin films have been deposited onto various substrates. The self-limitation of the reactions on flat substrates and the conformality of the films on structured substrates have been verified. Functional BN nanostructures have thus been fabricated using substrates or templates with different dimensionalities. In particular, their applications as protective coatings as well as filter and absorber to purify polluted water from organic/oil hav e been investigated. Finally, a second low temperature (85-150 °C) ALD process using tri(isopropylamine)borane and methylamine as precursors has preliminary been studied in order to confirm the adaptability of PDCs route to ALD technique. BN thin films have been grown onto flat substrate and it has been proven that tri(isopropylamino)borane vapor can infiltrate into electrospun polyacrylonitrile fibers.This work was carried out at University of Lyon and financially supported by the National Research Agency (project n° ANR-16-CE08-0021-01)

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'impact de gouttes de fluides à seuil. Au-delà des applications (impression à jet d’encre solide, modélisation d’impact solide à grandes vitesses), cette étude permet de sonder le rôle de l'élasticité sur le comportement à temps court de ces fluides complexes. D'abord, nous nous sommes intéressés aux impacts sur une surface rigide. L'utilisation de fluides à seuil modèles (solutions concentrées d’argiles, micro-gel de Carbopol) et de surfaces d'impact variées (partiellement mouillante ou super-hydrophobe), révèle une grande variété de comportements, allant de l'étalement viscoplastique irréversible jusqu'à des déformations élastiques géantes. Un modèle minimal d'étalement inertiel, incluant une rhéologie élasto/viscoplastique, permet de décrire dans un cadre unique les principaux régimes observés. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence un phénomène spécifique avec le Carbopol : pour des grandes vitesses d'impact, on observe un étalement beaucoup plus grand sur des surfaces rugueuses hydrophobes que sur des surfaces lisses. Cette réduction apparente du frottement basal est discutée en termes de longueur de glissement et d'instabilité de « splash ». Enfin, nous avons étudié l’impact d'une goutte de fluide sur un sol constitué du même fluide, en utilisant un fluide à seuil transparent (Carbopol). La combinaison de lois d'échelle, d’expériences en « micro-gravité » et de mesures locales du champ de déformation montre que la dynamique du cratère transitoire est dominée par l’élasticité, même au-delà du seuil d’écoulement. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le contexte des impacts de météorites en astrophysique. / This thesis presents an experimental study on the drop impact of yield-stress fluids. Beyond applications (solid ink-jet printing, lab modelling of high-speed collision of solids), this study offers a mean to probe the role of the elasticity on the short-time behaviour of these complex fluids. We have first studied drop impacts on solid rigid surfaces. Using different model yield-stress fluids (clay suspensions, Carbopol micro-gel) and impacted surfaces (partially wettable, super-hydrophobic), we have observed a rich variety of behaviours ranging from irreversible viscoplastic coating to giant elastic spreading and recoil. A minimal model of inertial spreading, including an elasto/viscoplastic rheology, allows explaining in a single framework the different regimes and scaling laws. In this study, we identified a specific phenomenon with Carbopol: for large impact velocities, the drop spreads much more on rough hydrophobic surfaces than on smooth surfaces. This apparent reduction of the basal friction is discussed in terms of slip length and splash instability. Endly, we investigated the impact of a drop onto a pool of the same fluid, using a transparent yield-stress fluid (Carbopol). The combination of scaling laws, micro-gravity experiments and local deformation measurements shows that the transient crater is dominated by elasticity, even beyond the flow threshold. These results could have implications for impact cratering in Planetary Sciences.