Les milieux granulaires, dans leur état dense, se présentent sous la forme deux régimes, un régime « solide » qui représente un état bloqué des particules et un régime fluide. La première partie de ce travail porte sur le régime fluide du milieu granulaire. Dans un premier temps, le modèle de rhéologie non-locale y est présenté et discuté au regard des modèles proposés dans la communauté. Afin de tester le modèle sur un système réel, nous présentons une expérience d’avalanche dans un canal étroit, dans lequel l’état de contrainte est hétérogène et permet ainsi de faire coexister les deux régimes. L’ajustement du modèle pose la question de la définition des conditions aux limites. Nous présentons alors une étude numérique par simulation de dynamique moléculaire en plan incliné afin d’ajuster le modèle et mesurer la condition à la surface libre. La seconde partie de la thèse porte sur le régime bloqué du milieu granulaire et plus précisément sur la mesure des modules élastiques proche de la transition. A la limite de rigidité du matériau, les propriétés élastiques disparaissent mais le module élastique en cisaillement s’annule plus vite que le module en compression. Ainsi, nous présentons une étude de propagation d’ondes acoustiques en compression permettant de mesurer les modules élastiques à des pressions de confinement évanescentes, au moyen de vols paraboliques. Nous proposons un modèle de contact inter-particulaire permettant d’expliquer la dépendance du module élastique à la pression et ainsi d’appréhender les différentes lois d’échelles évoquées dans la littérature. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires portant sur la propagation d’ondes de cisaillement. / In their dense state, granular media can either flow like fluids or behave like solids, when they are jammed. The first part of this thesis deals with the flowing regime. We begin by presenting the non-local rheology and discuss this model with respect to the other ones proposed in the community. In order to probe this model, we perform experimental measurements of the velocity profile in an avalanche flow in a narrow channel. This setup allows to observe both the fluid regime and the creep of the supposedly jammed region, in the depth of the channel. We probe the non-local model on the experimental results. The fit of the theory raises the question of the definition of the boundary conditions on such system. We therefore perform molecular dynamic simulations on an incline plane setup in order to fit the non-local model and measure the free surface boundary condition.The second part of this thesis investigates the elastic properties of jammed granular media weakly confined. Near the rigidity (jamming) transition of the medium, elastic moduli decrease and exhibit different scaling laws in their dependence on the confining pressure. We therefore perform acoustic measurements of compression waves at vanishing pressures, by the mean of parabolic flights. We then revisit the model of inter-particle contacts. This enables to predict the elastic behavior of the medium over a wide range of pressures: from evanescent to high pressures, at which the prediction from the mean field approach using the Hertz contact model has been shown to be valid. Last, we present preliminary results of shear wave propagations.

Cette thèse de doctorat a été financée par l’entreprise SIKA spécialisée dans les matériaux de construction. Les trois chapitres de cette thèse correspondent à la tentative de résolution de trois problématiques d’origine industrielle. Dans le premier chapitre, nous avons étudié l’effet de la concentration en particules sur les propriétés d’écoulement de fluides complexes rhéofluidifiants ou rhéoépaississants et démontré l’origine microscopique de cet effet. Dans le second chapitre, nous avons étudié la floculation de particules colloïdales sous faibles perturbations et mis en évidence l’existence, au cours de la reconstruction, d’un maximum du module élastique. Enfin le troisième chapitre est l’étude d’un diagramme de phase de jet de suspensions concentrées. En régime dilué et semi-dilué, les résultats sont conformes à ceux de la bibliographie, en revanche nous avons étudié un nouveau régime à très haute fraction volumique où le jet, instable, se met à osciller. Nous avons montré que ces oscillations étaient dues au rhéoépaississement de la suspension. / This thesis has been done in collaboration with the company SIKA, one of the leader if the construction industry. This thesis report is organized in three chapters where each of them tries to answer a problem coming from industrial processes. In the first chapter, we studied the impact of particles concentration on the flowing properties of complex fluids such as shear-thinning and shear-thickening fluids. We demonstrated the importance of local contacts between particles to explain the evolution of the viscosity with the volume fraction. In the second chapter, we studied the aggregation of colloidal attractive suspensions under small perturbations and proved the existence of a maximum of elastic modulus during the rebuilding of the structure. Finally, the third chapter is a study of a phase diagram of a concentrated suspension jets. In the diluted and semi-diluted regimes, we found results in agreement with the bibliography, meanwhile at very high concentration, we studied a new regime where the jet, unstable, is oscillating. We showed those oscillations can be explained by the shear-thickening behaviour of the suspensions at those high concentrations.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des ondes non-linéaires à la surface de l'eau. Premièrement, l'étude présente les mesures spatio-temporelles des ondes non-linéaires lors du passage sur une marche immergée. Celles-ci ont permis de séparer et d'analyser les diffèrent composants jusqu'au deuxième ordre. En particulier, la contribution de la tension de surface, a été mise en évidence en mesurant la longueur du battement de la deuxième harmonique. Les résultats obtenus ont été comparés à un modèle théorique multi-modal des coefficients de transmission et de réflexion. Dans la même configuration, la construction d'un bassin fermé en ajoutant un mur réfléchissant à la fin, a permis d'observer l'excitation de modes à basse fréquence, avec une dynamique quasi-périodique intéressante. En parallèle, deux aspects expérimentaux impliqués dans les manipulations à petite échelle ont été étudiés. Premièrement, l'atténuation produite par la friction sur le fond a été mesurée et analysée pour des ondes distribuées de façon aléatoire, en montrant l'importance relative de cet effet. Deuxièmement, la dynamique de la ligne de contact joue un rôle important lorsque les ondes ont des amplitudes suffisamment petites et que les bords se trouvent suffisamment proches. Dans ce cas, nous avons constaté des différences considérables en réflexion et en courbure du front d'onde. La dernière partie porte sur les mesures expérimentales de l'absorption parfaite avec un résonateur couplé dans un guide d'onde étroit. Les modes piégés générés par un cylindre décalé dans le guide, ont été excités pour produire l'absorption. / This thesis presents an experimental investigation on the propagation of nonlinear water waves. The first part focuses on the space-time measurements of nonlinear water waves, when it passes over a submerged step. The space-time resolved measurement allows us to separate the different components at the second order, which are compared with a theoretical nonlinear multi-modal model. The important contribution of the surface tension at higher orders is verified by measuring the beating length of the second harmonic. In the same conditions, the addition of a reflecting wall at the end of the channel sets a rectangular tank with submerged step, where the excitation of low-frequency modes yields a quasi-periodic dynamics. Concurrently, a research about aspects that have to be considered in small scale experiments of surface waves has been carried out. In shallow water, the damping of water waves is highly influenced by the bottom friction. This dependence was measured for randomly distributed waves, revealing the relative contribution of this effect. Moreover, the dynamic of the contact line plays a significant role when the wave-amplitude is small and the boundaries are near, both in relation to the capillary length. We observed experimentally how the wetting of the boundaries changes the reflection and the wave-front curvature. The final part covers the measurement of perfect wave absorption by a coupled resonator in a narrow waveguide. The trapped modes generated by a cylinder shifted from the channel axis were excited to generate the absorption.

Dynamique du polyamide dans l'état solide en présence de solvants: Les polyamides sont une famille de polymères thermoplastiques semi-cristallins largement utilisés dans l'industrie automobile grâce à leur excellente stabilité thermique et propriétés mécaniques. Cependant, ces propriétés peuvent être affectées par la sorption de l'eau présente dans l'atmosphère ou de l'éthanol présent dans les biocombustibles. Les cinétiques de sorption et la sorption à l'équilibre dépendent des mécanismes d'interaction entre le solvant et le polyamide et des mécanismes de sorption et de diffusion. La diffusion et la sorption de solvants dans les polyamides sont des phénomènes complexes à cause de l'existence d'interactions spécifiques (liaisons hydrogène), d'hétérogénéités dynamiques dans la phase amorphe, de changements dans la dynamique du polymère en présence de solvants et de l'existence d'une phase cristalline. Puisque l'accessibilité de la phase amorphe peut avoir une influence sur les mécanismes de diffusion et de sorption, la diffusion et la sorption de différents solvants (eau, alcools de tailles différentes) ont été comparés dans un polyamide 100% amorphe et son homologue semi-cristallin. Nous avons confirmé que la phase amorphe d'un polymère semi-cristallin n'est pas entièrement accessible à l'eau, ce qui est en accord avec la littérature. Une deuxième partie de cette étude a été consacrée à la relation entre la diffusion de solvants et la dynamique de la phase amorphe. Premièrement, nous avons mis en évidence que les mécanismes de diffusion Fickien et non-Fickien peuvent être expliqués par la variation des coefficients de diffusion avec la concentration de solvant. Deuxièmement, l'influence de la relaxation du polymère a été évaluée par Spectroscopie Diélectrique. Une simple comparaison des échelles de temps de la diffusion et de la relaxation alpha, associée à la transition vitreuse, indique que les deux phénomènes ne sont pas directement corrélés. Cependant, la diffusion semble corrélée à la relaxation secondaire beta, qui décrit la dynamique locale des groupements amide en présence d'eau / Dynamics in the solid state in presence of solvents: Polyamides are a family of semi crystalline thermoplastic polymers widely employed in the automotive industry due to its excellent thermal stability and mechanical properties. However, polyamide can be significantly affected by the absorption of low molecular weight penetrants like water. The rate of sorption and amount of absorbed solvent depend on the mechanisms of interaction between solvent and polyamide, along with sorption and diffusion mechanisms. Diffusion and sorption of solvents in polymers can be very complex because of the existence of specific interactions (non-polar or polar), dynamic heterogeneities in the amorphous phase, modification of the polymer dynamics induced by the solvents and different crystalline phases. In polyamide/solvent systems, all of these factors have to be taken into account. A first part of this study focused on the accessibility of the amorphous phase in semicrystalline polyamides. A comparison between a 100% amorphous polyamide and its semicrystalline counterpart of equivalent chemical structure suggests that the amorphous phase in semi-crystalline polyamide is not entirely accessible to the solvents. A second part of this study focused on the diffusion mechanisms of water and ethanol in polyamide. Fickian or non- Fickian diffusion mechanisms could be explained by the variation of the diffusion coefficients as a function of solvent concentration. Moreover, the relationship between water diffusion and the dynamics of the amorphous phase in polyamide was investigated. A simple comparison of dielectric characteristic relaxation times with the timescale of diffusion suggests that diffusion and polyamide alpha relaxation (associated to the glass transition) should not be directly correlated. However, diffusion is correlated to the secondary beta relaxation, which encompasses the local chain dynamics of hydrogen bonded amide groups in the presence of water. A mechanism of diffusion based on the trapping of water molecules between neighboring sorption sites (amide groups) is proposed in these strongly interacting polymers

Ce travail de thèse est focalisé sur l'interaction de molécules organométalliques avec des métaux de transition. Cette thématique a un large éventail d'applications dans plusieurs domaines tels que la réalisation de nanojonctions pour la nano-électronique, la bioimagerie et le stockage d'énergie magnétique, la nano-catalyse et les applications biomédicales. Dans ce cadre général, ce projet de thèse vise la modélisation à l’échelle atomique des interactions fondamentales entre les briques moléculaires afin de comprendre leur rôle dans l’assemblage et la fonctionnalisation des nanostructures. L’outil principal utilisé est la dynamique moléculaire à partir des premiers principes selon les approches Born-Oppenheimer et Car-Parrinello. La première partie de cette thèse présente une rétrospective du domaine afin de donner une vision d’ensemble des méthodes utilisées et de l’état de l’art dans ce domaine. Le deuxième chapitre donne les éléments de base de la théorie et les méthodes qui ont été utilisées dans la thèse, au développement desquels on a aussi contribué pendant ce projet de recherche. Les résultats obtenus et leur discussion critique constituent le corps principal de cette ouvrage de thèse. Ceci est organisé dans un chapitre unique (troisième chapitre), divisé en trois sous-chapitre pour des raisons de clarté. / The purpose of this study is to investigate the interaction of organometallic complexes with transition metals. This topic in question has a broad array of applications in a number of domain; realization of nanojunctions for molecular nanoelectronics, biological imaging and nanocatalysis. Within this general framework, this PhD project aims to model the fundamental interactions of molecular building blocks at the atomic level in order to understand their role in the assembly and functionalization of nanostructures. The principal tool used in this study is first-principles simulation methods such as the Born-Oppenheimer and Car-Parrinello molecular dynamics. The first chapter presents an emphasis of the current developments in the related field alongside of a retrospective on the historical developments that leads today's knowledge. The second chapter presents the basic elements of the theory behind the methods that were used in the thesis, whose development has also been contributed during this research project. Lastly, the third chapter which is organized in three sub-chapters enumerates and describes the results of the various systems studied.Molecular dynamics, constrained dynamics, molecular electronics, molecular junctions, ferrocene, fullerene, metal-organic precursors.

Στη παρούσα διπλωματική μοντελοποιείται το σύστημα σφαίρας ράβδου. Εξάγεται το μοντέλο στο χώρο κατάστασης και υλοποιείται γραμμικοποίηση εισόδου κατάστασης και εισόδου εξόδου. Βρίσκονται προσεγγιστικοί νόμοι ελέγχου για το μη γραμμικό σύστημακαθώς παρουσιάζει ιδιομορφία. / This diploma thesis includes the analysis of the nonlinear system of a ball-beam and the design of different control laws. Initially, we present the physical system and we derive the mathematical model from the lagrange equation.The nonlinear system fails to be stable with the classic linear control laws and we try to stabilize it by input-state and inputoutput linearization. The ball beam system fails to be controlled by full state linearization and we proposed some approximations for inputoutput linearization. We describe in detail how we can derive the approximate control laws and through simulation we are capable of choosing the best suitable control law. We propose a switch-controller for the nonlinear system which is vital for systems with undefined relative degree and are not input state linearizable.

Les objectifs de cette thèse concernent la caractérisation des polymères à l’état fondu via la rhéologie non linéaire dans les modes de cisaillement ou en élongationnel et les procédés faisant intervenir de fortes élongations tel que l’électrospinning en voie solvant et en voie fondue. Pour atteindre le premier objectif, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation des polymères fondus enchevêtrés dans les régimes viscoélastiques linéaires et non linéaires. L'influence de la masse moléculaire, Mw et de sa distribution MWD, la présence de longues chaînes branchées (LCB) ou encore l'addition de nanoparticules dans la matrice de polymère à l'état fondu ont été étudiées en utilisant des techniques rhéologiques en cisaillement et en élongationnel. Dans le cas des écoulements de cisaillement oscillatoires à grandes amplitudes (LAOS), nous avons proposé de nouveaux paramètres mécaniques qui ont permis de définir les relations structure-propriétés des différents systèmes étudiés. / The goals of this thesis are the characterization of polymer melts using mainly non-linear shear and extensional rheological techniques. The fabrication of scaffolds with excellent physical and mechanical properties using solution electrospinning technology for tissue engineering applications and the development of melt electrospinning equipment to facilitate the fabrication of solvent free scaffolds. To achieve the first goal, we focused on the characterization of entangled polymer melts in the linear and nonlinear viscoelastic regimes. The influence of molecular weight, Mw, molecular weight distribution (MWD), long-chain branching (LCB) and addition of particles to the polymer matrix on polymer melt properties were investigated using shear and extensional rheological techniques. The resulting structure-property relationships were established using newly introduced mechanical parameters under large amplitude oscillatory shear (LAOS) flow.

Ce mémoire de thèse présente une approche semi-analytique des différentes solutions solitons spatio-temporelles de l'équation cubique quintique de Ginzburg-Landau complexe étendue à (3+1)D (GL3D).La méthode semi-analytique choisie est celle des coordonnées collectives qui permet d'approcher le champ exact, dont l'expression analytique est inconnue, par une fonction d'essai, qui comporte un nombre limité de paramètres physiques.En appliquant cette procédure à l'équation GL3D, nous obtenons un système d'équations variationnelles qui gouverne l'évolution des paramètres de la balle de lumière. Nous montrons que cette approche des coordonnées collectives est incomparablement plus rapide que la procédure de résolution directe de l'équation GL3D. cette rapidité permet d'obtenir, en un temps record, une cartographie générale des comportements dynamiques des balles de lumière. Cette cartographie révèle une riche variété d'états dynamiques faite de balles de lumière stationnaires, oscillantes et rotatives.Finalement, les résultats de cette thèse prédisent l'existence de plusieurs familles de balles de lumière, et précisent les domaines respectifs de leurs paramètres physiques. Cette prédiction constitue un pas en avant dans les efforts entrepris ces dernières années en vue d'une démonstration expérimentale de ce type d'impulsions. / This thesis presents a semi-analytical approach for the search of (3+1)D spatio-temporal soliton solutions of the complex cubic-quintic Ginzburg-Landau equation (GL3D).We use a semi-analytical method called collective coordinate approach, to obtain an approximate profile of the unknown pulse field. This ansatz function is chosen to be a function of a finite number of parameters describing the light pulse.By applying this collective corrdinate procedure to the GL3D equation, we obtain a system of variational equations which give the evolution of the light bullet parameters as a function of the propagation distance. We show that the collective coordinate approach is uncomparably faster than the direct numerical simulation of the propagation equation. This permits us to obtain, efficiently, a global mapping of the dynamical behavior of light bullets, which unveils a rich variety of dynamical states comprising stationary, pulsating and rotating light bullets.Finally the existence of several types of light bullets is predicted in specific domains of the equation parameters. Altogether, this theoretical and numerical work may be a useful tool next to the efforts undertaken these last years observing light bullets experimentally.

Les vésicules géantes unilamellaires (GUV) permettent d’étudier efficacement les interactions entre les lipides et les peptides. Dans ce manuscrit, il a été montré que les interactions attractives lipides-peptides sont supprimées par l’attachement de polypeptides de type élastine (ELP) sur des peptides riches en arginine et peuvent être modulées par l’auto-assemblage en micelles ainsi que par le nombre de groupements arginine dans la séquence des peptides capables de pénétrer les cellules. De plus, une nouvelle méthode pour former des GUV à partir de systèmes complexes en seulement quelques minutes a été développée. Cette méthode est basée sur le gonflement d’un film de PVA sous une bicouche lipidique. Elle supprime la dégradation des molécules pendant la formation des GUV de lipides synthétiques, tels que des glycolipides et des phospholipides portant des groupements amides, où les méthodes traditionnelles ne réussissent pas à produire des vésicules non endommagées. / Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) are a valuable tool to study lipid bilayer-biomolecule interactions in simplified cell-like model systems. In this work, a new method to efficiently form GUVs within minutes from more complex systems was developed. This method is based on swelling of a PVA-film under a lipid bilayer and minimizes damage of involved molecules during GUV formation. It also opens up many interesting perspectives for the formation of GUVs composed from new classes of synthetic lipids, such as glycolipids and amide-bearing phospholipids, where the traditional methods fail to efficiently produce “undamaged” vesicles. GUVs were also used for studying lipid-peptide interactions of a new class of elastin-like polypeptides functionalized with arginine-rich residues. It is shown that attractive interactions between lipids and peptides are suppressed by cargo-attachment and can be tuned by self-assembly into micelles and the arginine-amount of the cell penetrating residue.

En France, un tiers des personnes tuées sur la route le sont lors d’un accident sur un obstaclefixe. Dans 90% des cas, ces accidents surviennent après une perte de contrôle du véhicule.Les dispositifs de retenue de véhicule ont pour but de maintenir les véhicules en perdition surla chaussée en limitant la sévérité de l’impact.Ces dispositifs doivent subir des essais de chocs normatifs afin de pouvoir être installés sur lebord des routes européennes et d’évaluer leurs performances en termes de sévérité et dedéflexion.Les tolérances existantes sur les paramètres d’essai (véhicule, masse du véhicule, vitesse,angle et point d’impact …) et les incertitudes sur les caractéristiques mécaniques desmatériaux constituant le dispositif ont un effet sur les performances de ce dispositifs etdoivent être prises en compte lors des calculsLes dispositifs mixtes (acier-bois) présentent une difficulté supplémentaire en raison del’hétérogénéité du matériau et de sa sensibilité aux variables d’environnement telles que latempérature et l’humidité.Afin de prendre en compte cette variabilité et d’évaluer son impact sur les performances d’undispositif, des essais dynamiques sur des échantillons de structure ont été réalisés et modélisésnumériquement.Enfin, un modèle complet d’un dispositif de retenue de véhicule a été effectué et corrélé surun essai de choc réel à l’aide d’une méthode prenant en compte la variation de paramètresphysiques liés à l’apparition des modes de ruine de la structure. Une fois corrélé, le modèle aété utilisé afin d’évaluer l’incidence de la modification des caractéristiques mécaniques dubois liée aux variations des conditions environnementales. / In France, one third of the people dying on the roads are killed after impacting against ahazard. In 90% of the reported cases, these accidents result from loss of control. VehicleRestraint Systems (VRS) are specially designed to restrain an errant vehicle and to limitimpact severity.Before being installed on the roadsides, these devices have to be crash-tested according tostandards in order to evaluate their safety and deflexion performances.Tolerances exist on impact parameters (vehicle, vehicle mass, impact speed, impact angle,impact point …) and material’s mechanical characteristic uncertainties have an effect towardsdevice performances and have to be taken into account during numerical simulations.Steel-wood structures present an additional numerical challenge due to wood heterogeneityand its sensibility to environment variables such as temperature and moisture content.In order to assess the effect of this variability toward safety performances, three point bendingdynamic experiments on structural samples are performed and modelled.Finally, a complete model of a vehicle restraint system is built and validated according to realcrash test results thanks to a parametric method. This method takes into account the variabilityof the parameters associated to the failure modes of the structure. Once validated the model isused to assess the effect of wood mechanical properties modifications due to environmentvariable variations.