Le sujet de la thèse porte sur l'élaboration de nouveaux matériaux MOx (M=Ti,Zr) nanostructurés et fonctionnalisés en surface pour l'élimination des micro-polluants HAP dans des effluents aqueux. Compte tenu de la nature des polluants visés, nous avons choisi de travailler sur des fragments organiques (R) mono- ou poly-aromatiques, pouvant former des complexes de transfert de charge (π-stacking) avec les HAPs en solution, étant donné que ces interactions sont effectives en milieu aqueux. Dans le but d'obtenir un greffage efficace et pérenne, nous avons sélectionné des greffons phosphonates R-P(O)(OH)2 plutôt que carboxylates R-COOH. Ce projet a donc consisté en l'élaboration de différents ligands de type acides phosphoniques comportant au moins une insaturation via une addition d'Aza-Michael. La modification de précurseurs hétéroleptiques a pu conduire à la formation de matériaux hybrides en une seule étape par le procédé sol-gel. Cette approche moléculaire « bottom-up & one pot » a permis l'obtention de nanoparticules cristallisées (pour le titane) et fonctionnalisées en surface de façon contrôlée. Ces nanomatériaux ont ensuite été évalués, seuls ou supportés sur textiles, pour l'élimination de 16 HAP (considérés prioritaires par l'agence américaine EPA). Les matériaux nanocomposites (textiles / oxyde) fonctionnalisés ont démontré les mêmes performances d'adsorption des HAPs que les poudres hybrides nano-structurés, tout en apportant l'avantage supplémentaire de traiter efficacement de plus grands volumes d'eaux pollués en un temps plus court. Enfin ces matériaux peuvent être recyclés ce qui est totalement impossible avec les matériaux carbonés usuels du type charbon actif / The subject of the thesis concerns the elaboration of new hybrid nanomaterials Mox (M=Ti, Zr)n for the elimination of PAH micro-pollutants in aqueous effluents. Taking into account the nature of such pollutants, we chose to work on organic fragments (R) mono- or poly-aromatic, which could form complexes or transfer (p-stacking) with the HAPs in solution, given that these interactions are effective in aqueous media. In order to obtain an effective and long-lasting grafting, we selected phosphonates R-P (O)(OH)2 ligands rather than carboxylates ones R-COOH. This poject thus consisted of the elaboration of different ligands of phosphonic acid containing at least one insaturation via an Aza-Michael addition. Heteroleptic molecular precursors were obtained by reaction between metallic alkoxides and various phosphonic acids, and led us hybrid nanomaterials in a single stage by sol-gel process. This molecular approach “bottom-up & one pot” allowed the obtaining of crystallized nanoparticles (for the titanium) and the control of the surface functionalization. The performances of these nanomaterialsThe performances of these nanomaterials were then tested, alone or supported on fabrics, for the elimination of HAP (considered as priority by the American agency EPA). The results of adsorption of the HAPs on the various synthesized nanomaterials show an exceptional efficiency of materials to adsorb 16 HAPs. The nanocomposite materials (textile/oxides) demonstrated the same performances of adsorption of the HAPs as the hybrid nano-structured powders, while bringing the additional benefit to treat effectively bigger volumes of waters polluted within shorter time. Finally these materials can be recycled which is totally impossible with the usual carbon materials such as activated charcoal

Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mésoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser. La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mésoporeuse et fluides biologiques réels (sérum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsométrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mésoporeuse. / Dans les dernières 15 ans, la recherche biomédicale a exploré en profondeur l’utilisation de nanoparticules pour la délivrance ciblée de médicaments. Parmi plusieurs matériaux étudiés, la silice mesoporeuse représente une plateforme exceptionnelle pour ce type d’applications puisque elle est biocompatible et capable d’être chargé avec une quantité élevée de médicament, tout en étant facile à synthétiser et à fonctionnaliser .La connaissance des interactions entre nanoparticules de silice et environnement biologique est nécessaire pour concevoir des vecteurs thérapeutiques efficaces et pas toxiques. Cet étude a développé une nouvelle méthode d’analyse in situ pour suivre les interactions entre silice mesoporeuse et fluides biologiques réels (serum et sang), employant une cellule d’analyse microfluidique et l’ellipsometrie en réflexion totale interne. Nous avons ainsi réalisé le suivi dynamique de la dégradation de vecteurs models à base de silice poreuse structuré dans une solution tampon à pH physiologique et une solution concentré de protéines. Ces analyses ont permis d’évaluer l’influence de la structure poreuse, de l’adsorption de protéines sur la surface et de la vitesse du flux sur la dissolution de la silice mesoporeuse.

The present work provides an insight in the development of silica films prepared by water-based sol-gel process. The weaknesses of the coating technology are identified, also solutions are discussed. The silica film is applied on aluminium alloy 6082-T6 and magnesium alloy AZ31. The development of the coating properties such as cost-efficiency, crack-free, self-healing and long-term corrosion protection is the main topic of this work. Cracking is the major drawback of silica films; the cracks are generated due to shrinkage of the film during the heat treatment, nanoparticles-doped silica film is successfully reduced the shrinkage which leads to crack-free silica films. The self-healing of the coated aluminium and magnesium samples is generated by corrosion inhibitors-doped silica film. When a defect appears in the film, the corrosion inhibitors leach out of the silica film to the defect area to heal the corroded surface. The long-term corrosion protection is realized by means of a mixture of corrosion inhibitors-doped silica film. / Die vorliegende Arbeit liefert einen Einblick in die Entwicklung von Silikafilmen, die mittels Sol-Gel-Prozess auf Wasserbasis hergestellt wurden. Die Schwächen der Beschichtungstechnologie werden dargestellt und Lösungen diskutiert. Der Silikafilm wird auf Aluminiumlegierung 6082-T6 und Magnesium-legierung AZ31 aufgebracht. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung der Schichteigenschaften, wie Kosteneffizienz, Rissfreiheit, Selbstheilung so wie langfristiger Korrosionsschutz. Rissbildung ist ein wesentlicher Nachteil von Silikafilmen; rissfreie Filme wurden mittels nanopartikeldotierter Silikafilme hergestellt. Die Selbstheilung von Aluminium-und Magnesiumsubstraten mit Silikafilm wird durch den Effekt der wasserlöslichen Korrosionsinhibitoren generiert. Die Experimente haben gezeigt, dass die Proben mit inhibitordotierter Beschichtung selbst gegen Korrosion geschützt sind. Ein langfristiger Korrosionsschutz wird durch eine Mischung aus Korrosionsinhibitor-dotierten Silika-Film realisiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die kationische Polymerisation neuer Furanmonomere beschrieben, die zu anorganisch-organischen Nanokompositen führt. Die kationische Polymerisation des Tetrafurfuryloxysilans steht dabei im Vordergrund. Ausgehend von den synthetisierten Kompositen wird die Herstellung von anorganischen Oxiden durch thermische Oxidation und von Kohlenstoffmaterialien durch thermische Behandlung in Schutzgasatmosphäre beschrieben. Die Charakterisierung der Komposite, Oxide und Kohlenstoffmaterialien erfolgt mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie, Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie. Das Prinzip der neu entdeckten Zwillingspolymerisation wird vorgestellt und anhand verschiedener Beispiele auf seine weitere Anwendbarkeit zur Synthese anorganisch-organischer Kompositmaterialien überprüft.

The discovery of superconductivity in ceramic materials by Bednorz and Müller [2, 3] in early 1987, immediately followed by Wu et al. [4, 5] who showed that YBa2Cu3O7−x (YBCO) becomes superconducting (92K) well above the boiling point of nitrogen (77K) created a great excitement in superconductivity research. Potential applications of high Tc-superconductors require large critical currents and high-applied magnetic fields. Effective ways to increase the critical current density at high magnetic fields in YBCO are the introduction of nanoparticles and chemical substitution of yttrium by other rare earth elements. Since low costs and environmental compatibility are essential conditions for the preparation of long length YBCO films, the cost effective chemical solution deposition (CSD) procedure was selected, given that no vacuum technology is required. To reveal the flexibility and the good optimization possibilities of the CSD approach two main processes were chosen for comparison: a fluorine-free method, namely the polymer-metal precursor technique, and a fluorine-based method, the metalorganic deposition (MOD) using the trifluoroacetates (TFA) technique. Sharp transition temperature widths DTc of 1.1K for the polymer metal method, 0.8K for TFA method and critical current densities Jc of _3.5MA/cm2 shows that high quality YBCO thin films can be produced using both techniques. Especially interesting is the magnetic field dependence of the critical current density Jc(B) of the Y(Dy)BCO (80 %) films showing that for the lower magnetic fields the critical current density Jc(B) is higher for a standard YBCO film, but at fields higher than 4.5T the critical current density Jc(B) of Y(Dy)BCO is larger than that for the YBCO. Above 8T, Jc(B) of the Y(Dy)BCO film is more than one order of magnitude higher than in pure YBCO film. / Die Entdeckung der Supraleitung in keramischen Materialien durch Bednorz und Müller 1987 und die kurz darauf folgende Beobachtung von Wu et al., dass YBa2Cu3O7−x (YBCO) supraleitende Eigenschaften deutlich oberhalb (92K) des Siedepunktes von Stickstoff (77K) aufweist, führten zu einer enormen Intensivierung der Forschung hinsichtlich neuer supraleitender Materialien sowie deren Eigenschaften und möglichen Einsatzgebieten. Potentielle Anwendungsgebiete für diese neuen Hochtemperatur-Supraleiter erfordern hohe kritische Stromdichten und hohe kritische Feldstärken. Effektive Wege zur Erhöhung der kritischen Stromdichte in starken Magnetfeldern in YBCO sind der Einbau von Nanoteilchen oder die chemische Substitution von Yttrium durch ein anderes Seltenerd-Element. Da niedrige Kosten und gute Umweltverträglichkeit wichtige Voraussetzungen für die Herstellung von YBCO-Schichten großer Länge darstellen, werden in dieser Arbeit die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten der Chemischen Lösungsabscheidung (chemical solution deposition - CSD) untersucht. CSD Prozesse sind besonders gut geeignet, weil sie keine Vakuum-Technologie erfordern und einen hohen Grad an Flexibilität garantieren. Zur Demonstration der guten Optimierbarkeit werden zwei wichtige CSD-Verfahren miteinander verglichen: die Polymer-Metall Precursor Technik - eine Fluor-freie Methode - und die metallorganische Abscheidung mittels Trifluoroacetat (TFA-MOD), bei der Fluor zum Einsatz kommt. Scharfe supraleitende Übergänge (Polymer-Metall Precursor Technik: DTc = 1.1K; TFA -MOD: DTc = 0.8K) sowie hohe kritische Stromdichten von ca. 3.5MA/cm2 (B= 0 T) zeigen, dass mit beiden Verfahren dünne YBCO-Schichten hoher Qualität hergestellt werden können. Außerdem bieten CSD-Verfahren durch die hervorragende Kontrollierbarkeit der Stöchiometrie des Precursors die Möglichkeit Yttrium teilweise oder vollständig durch andere Seltenerd-Metalle zu ersetzen und damit die kritische Stromdichte in hohen Magnetfeldern deutlich zu erhöhen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass besonders die TFA-Methode besonders geeignet ist, um (RE)BCO-Schichten (RE: rare earth) herzustellen. Untersucht wurden verschiedene Zusammensetzungen mit Sm, Dy und Ho. Außerordentlich interessant sind dabei die Ergebnisse für Y(Dy)BCO-Schichten. Schichten mit einem Dy-Gehalt von 80 % zeigen oberhalb von 4.5T deutlich höhere kritische Stromdichten als reine YBCO Schichten. Bei Magnetfeldern größer als 8T beträgt der Unterschied mehr als eine Größenordnung.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:56:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

La formulation de médicaments regroupe des technologies innovantes où l'usage de matières premières naturelles émerge du fait de contraintes environnementales grandissantes. Les huiles végétales par exemple sont plébiscitées grâce à leurs propriétés remarquables en terme de solubilisation de principes actifs, de biocompatibilité et de biodégradabilité. Afin d'élargir leurs applications, notamment pour la libération prolongée de principes actifs, la solidification de ces huiles par réticulation a été envisagée à l'aide d'une chimie douce, c'est-à-dire respectueuse des principes de la chimie verte. La silice a été choisie pour réaliser la réticulation par réaction sol-gel d'huiles végétales et ainsi obtenir des matériaux hybrides inorganique/organique d'origine naturelle. L'étude a consisté à fonctionnaliser des huiles végétales à l'aide de précurseurs silylés en utilisant une chimie sans solvant ni catalyseur, pour obtenir des huiles réticulables par voie sol-gel. Deux voies chimiques de fonctionnalisation ont été employées. La première, difficilement contrôlable, été basée sur une réaction époxy-amine où des huiles de lin ou de soja époxydées ont été utilisées. La seconde reposait sur la valorisation d'huile de ricin porteuse d'un groupement hydroxyle via une réaction hydroxy-isocyanate. Les excellents résultats obtenus ont permis de poursuivre l'étude par la formulation de l'huile de ricin silylée grâce à un nouveau procédé d'émulsion huile/eau thermo-stabilisée. Simple et robuste, ce procédé a rendu possible de façon concomitante la mise en forme et la solidification de microparticules hybrides. Les microparticules présentent des distributions de taille homogènes (20 à 200 µm), sont sphériques et capables de piéger des molécules lipophiles. Ainsi une molécule modèle, a été encapsulé avec des rendements très satisfaisants et sa libération a été totale après 8h en milieu physiologiques simulé. En modifiant la composition des microparticules (ratio inorganique / organique), il a été possible de prolonger les cinétiques de libération et de réduire significativement « l’effet burst ». La biocompatibilité de ces microparticules a été démontrée in vitro. Enfin dans l’optique de correctement caractériser la réaction sol-gel, différentes techniques analytiques ont été explorées pour l’étude in situ de la réticulation et l’identification d’un catalyseur biocompatible. Ces travaux ont permis de détailler les mécanismes des réactions d’hydrolyse et de polycondensation et ont ouvert la voie à un meilleur contrôle des cinétiques de réticulation des microparticules. De plus, il est apparu que la maîtrise de cette réaction semble être indispensable afin d'obtenir des objets "stabilisés " aux propriétés identiques et aux cinétiques de libération reproductibles. En conclusion, il a été démontré que la chimie sol-gel appliquée aux huiles naturelles offre des possibilités d’innovation en formulation galénique tout en respectant les contraintes environnementales et de santé et a permis le développement de matériaux originaux aux propriétés modulables. / Drug formulation is gathering innovative technologies where the use of natural products for the preparation of drug delivery systems is getting more and more considerations because of environmental concerns. For instance, vegetable oils get increasingly used because of their outstanding properties in terms of drug solubilization, biocompatibility and biodegradability. For expanding their application, to drug sustained-release for instance, oils have to be hardened under mild conditions with respect to green chemistry principals. The silica condensation was therefore chosen as cross-linking reaction by the mean the sol-gel reaction which when applied to vegetable oils led to biosourced hybrid organic/inorganic materials. To do so, oils were functionalized with alkoxysilanes precursors without solvent nor catalyst in order to obtain cross-linkable systems. Two chemical paths were studied. The first one, based on an epoxy-amine reaction between epoxydized linseed or soybean oils and the alkoxysilane precursor ended up with an uncontrolled reaction and a triglyceride disruption. The second, used castor oil as an hydroxylated raw material and was based on the hydroxy-isocyanate reaction. Valuable results were obtained and this silylated oil was formulated thanks to a new oil/water thermo-stabilized emulsion process. Simple and robust, this process allowed to simultaneously shape and harden hybrid microparticles. Ranging between 20 and 200 µm in diameter, hybrid microparticles were spherical, homogeneously distributed and were capable of entrapping and releasing lipophilic molecules. As a model, ibuprofen was efficiently encapsulated and was fully released over 8 hours in a simulated buffer. Furthermore, by changing the composition of hybrid microparticles (inorganic/organic ratio), it was also possible to extend release kinetics and significantly reduce the burst effect. Then, biocompatibility of those hybrid microparticles was demonstrated in vitro and an innovative study of the cross-linking reaction was performed. This study aimed to properly understand hydrolysis and polycondensation mechanisms and took the form of an in situ the sol-gel reaction monitoring. It allowed to identify an alternative biocompatible catalysts and gave an insight on how those reactions can be controlled to reach “stabilized" hybrids with constant properties and exhibiting robust and reproducible drug sustained-releases. Finally, it has been demonstrated that the sol-gel chemistry applied to vegetable oils for the synthesis of original and tunable hybrid materials with concerns to environmental and health issues, opened the gate towards innovations in drug formulation.

Grâce à un mécanisme coopératif d'auto-assemblage électro-assisté ("Electro-Assisted Self-Assembly" : EASA), l'électrogénération de couches minces sol-gel à partir d'un sol constitué d'alcoxysilanes et d'un tensioactif cationique (bromure de cétyltriméthylammonium : CTAB) permet l'accès à des films mésostructurés présentant des mésopores orientés perpendiculairement au support. Des films mésostructurés à base de silice méthylée présentant une porosité organisée et "verticalement" orientée ont été électrogénérés en réalisant la co-condensation en une étape d'un alcoxysilane et d'un organo-alcoxysilane en présence de CTAB. Une étude des transferts de matière au sein de ces couches minces démontre que leur perméabilité peut être modulée par la teneur en groupements -CH3. Le procédé EASA a ensuite été étendu à l'utilisation de sols principalement aqueux. Ceci permet l'accès à de nouvelles structures, au contrôle de l'orientation du réseau poreux et à la possibilité de moduler la morphologie du matériau déposé en faisant varier les contre-anions associés aux édifices micellaires. Différentes stratégies de synthèse visant à augmenter la porosité de films électrogénérés ont été évaluées (utilisation d'agents gonflants et d'un copolymère triblocs). Des résultats probants concernant l'électrogénération de couches minces à porosité hiérarchisée (interconnexion de mésopores et de macropores) sont aussi présentés. Enfin, la dernière partie s'attache à étendre le concept EASA à l'échelle locale (micrométrique) par l'utilisation d'un microscope électrochimique à balayage en tant que moyen de synthèse, ceci ouvrant la voie à l'électromicrolithographie sol-gel / Thanks to an Electro-Assisted Self-Assembly (EASA) cooperative process, the sol-gel electrogeneration of silica thin films from sols containing alkoxysilanes and cationic surfactant molecules (cetyltrimethylammonium: CTAB) allows to obtain mesostructured films exhibiting mesopore channels orthogonal to the substrate. Organized methylated silica thin films with "vertically"-aligned mesopores were electrogenerated by performing a one-step co-condensation between alkoxysilanes and organo-alkoxysilanes in the presence of CTAB. Monitoring mass transport issues inside these thin layers demonstrates that their permeability can be modulated by the -CH3 moieties ratio. The EASA process was then extended to the use of mainly aqueous sols. This permits the electrogeneration of new structures, the control of the porous network orientation and a modulation of the deposited material morphology by changing the CTA+ counter-anion. Various synthesis strategies aiming at increasing the porosity of electrogenerated films were evaluated (use of swelling agents and a triblock copolymer). Some convincing results dealing with the electrogeneration of silica films exhibiting a hierarchical porosity (combination of mesopores with macropores) are also presented. Finally, the last part of this work demonstrates how the EASA process can be applied at the local scale (micrometric) by using a scanning electrochemical microscope as a synthesis tool, thus opening the way to the sol-gel electromicrolithography

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:42:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:46:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 07544.pdf: 4718297 bytes, checksum: 4794b7e348101fca1262cbfb437f133b (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP