Cette thèse concerne le développement d’outils microfluidique pour l’ingénierie d’enzymes d’intérêt thérapeutique. La microfluidique à base de gouttelettes présente un énorme potentiel dans le domaine de la biologie quantitative. Nous développons des outils microfluidiques pour l’évolution dirigée de l’enzyme L-asparaginase, enzyme utilisée comme traitement de laleucémie lymphoblastique aiguë. Ce traitement est basée sur une enzyme d’origine bactérienne,ce qui conduit à déclencher des réactions immunitaires qui se traduit par l’interruption du traitement, souvent fatale pour le patient. Cependant, une version humaine de l’enzyme L-asparaginase, qui est moins immunogénique, n’est à l’heure actuelle pas suffisamment active pour être utilisée. L’objectif principal de cette thèse est d’alors d’analyser et de cribler des banques de mutants d’enzymes en utilisant des méthodes classiques de mutagenèse et d’analyser chaque mutant individuellement par le biais de la microfluidique. Pour cela, plusieurs systèmes microfluidiques ont été développés et optimisés afin de répondre à différents critères de sélection pour l’analyse et la sélection de l’enzyme L-asparaginase. La version bactérienne a servi de contrôle positif pour l’optimisation des systèmes microfluidiques afin de pouvoir analyser et de cribler des banques de mutants de la version humaine de l’enzyme L-asparaginase. / This thesis deals with the development of microfluidic tools for the engineering ofenzymes of therapeutic interest. Droplet microfluidics has enormous potential in the field ofquantitative biology. We are developing microfluidic tools based on the directed evolutionof the enzyme L-asparaginase, an enzyme used to treat acute lymphoblastic leukemia. Thistreatment is based on an enzyme of bacterial origin, which leads to immune reactions thatresult in the interruption of treatment, often fatal for the patient. However, a human version ofthe enzyme L-asparaginase, which is less immunogenic, is currently not sufficiently active to beused. The main objective of this thesis is to analyze and screen enzyme mutant libraries usingstandard mutagenesis methods and to analyze each mutant individually through microfluidics.For this, several microfluidic systems have been developed and optimized for different selectioncriteria for the analysis and selection of the enzyme L-asparaginase. The bacterial versionserving as a positive control for the optimization of microfluidic workflows to analyze andscreen mutant libraries of the human version of the enzyme L-asparaginase.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la propagation des ondes acoustiques dans un milieu à double porosité. La caractérisation analytique des modes de vibration d’une plaque à double porosité a été mise en évidence. L’étude théorique a été validée par des mesures ultrasonores expérimentales, sur deux matériaux granulaires à double porosité et des billes de verre à simple porosité, via la détermination d’un coefficient de comparaison théorie-expérience. Ces mesures ont également permis la détection des quatre ondes se propageant dans un matériau à double porosité. Un dispositif expérimental a été développé dans le but de caractériser le phénomène de colmatage qui affecte les milieux poreux lorsqu’ils sont traversés par un fluide chargé de matières en suspension. Ce phénomène affecte par exemple les filtres utilisés dans la clarification des eaux sales. La méthode ultrasonore non destructive a été combinée avec la méthode destructive généralement utilisée dans les laboratoires, pour le suivi du dépôt dans le temps et dans l’espace des trois milieux poreux soumis à l’injection de solutions turbides pendant une longue durée. Des corrélations entre les propriétés acoustiques (vitesse de phase et énergie du signal transmis) et la variation de la porosité du milieu en conséquence du dépôt sont obtenues. L’ensemble des résultats montre un bon accord entre les deux méthodes. / The aim of this thesis is to study the propagation of acoustic waves in a double porosity medium. The analytical characterization of the vibration modes of a double porosity plate has been studied. The theoretical study was validated by experimental ultrasonic measurements, on two granular materials with double porosity and single porosity glass beads, by the determination of a theory-experiment comparison coefficient. These measurements also allowed the detection of the four waves propagating in a double porosity medium. An experimental device has been developed for the purpose of characterizing the clogging phenomenon which affects the porous media when traversed by a fluid loaded with suspended particles. This phenomenon affects for example the filters used in the clarification of dirty waters. The non-destructive ultrasonic method was combined with the destructive method generally used in laboratories, for monitoring the deposition in time and space of the three porous media subjected to the injection of turbid solutions for a long time. Correlations between the acoustic properties (phase velocity and energy of the transmitted signal) and the variation of the porosity of the medium as a consequence of the deposition are obtained. All results show a good agreement between the two methods.

Ce travail rentre dans le cadre de la caractérisation des couches minces, de revêtements et de surfaces fonctionnelles (épaisseur, constantes élastiques,…). Parmi les méthodes de caractérisation potentielles, les méthodes ultrasonores employant des ondes de surface sont particulièrement intéressantes. Pour ce faire, nous avons choisi d’exploiter la dispersion des ondes de surface de type Rayleigh. En effet, les ondes acoustiques de surface (SAW) de type Rayleigh se propagent à la surface d’un matériau et l’énergie véhiculée par ces ondes est confinée sous la surface dans une couche d’épaisseur de l’ordre d’une longueur d’onde. Afin de caractériser ces revêtements, il est nécessaire de travailler sur une large gamme de fréquences. D’autre part, ces couches peuvent être fragiles et transparentes, c’est pourquoi, des transducteurs interdigités (IDT) sont envisagés. Pour optimiser ce type de capteurs, et en particulier leur bande passante, il est nécessaire d’étudier différentes configurations sachant qu’il est notamment possible de faire varier le nombre d’électrodes, les dimensions des électrodes, leurs formes et leurs espacements. Enfin, pour exciter ces ondes de surface dans une large gamme de fréquence avec des niveaux de déplacement suffisants pour la caractérisation des couches minces et revêtements, la technique à double Chirp spatio-temporel basée sur des transducteurs SAW-IDT a été privilégiée. Nous avons montré les potentialités de cette approche en caractérisant premièrement des structures à couche mince métalliques d’épaisseurs de 100 nm et plus, et deuxièmement des revêtements transparents de type sol-gel. / This work is within the scope of characterization of thin layers, coatings and functional surfaces (thickness, elastic constants,…). Among the characterization methods, the ultrasonic methods using surface acoustic waves are particularly interesting. In order to do this, we chose to make use the dispersion phenomenon of Rayleigh-like surface acoustic waves. Indeed, the propagation of these waves is close to the surface of material and the energy is concentrated within a layer under the surface of about one wavelength thick. In order to characterize these coatings and structures, it is necessary to perform measurements in high frequencies. On the other hand, these coatings can be fragile and transparent, this is why in this study, SAW-IDT sensors are achieved for surface acoustic wave generation. For optimization of these SAW-IDT sensors, particularly their band-width, it is necessary to study various IDT configurations by varying the number of electrodes, dimensions of the electrodes, their shapes and spacings. Finally, to generate the surface acoustic waves over a wide frequency range with sufficient displacement amplitude for the characterization of thin films and coatings, a time-space chirp technique with SAW-IDT sensors was selected. We have shown the potential of this approach by characterizing firstly thin metallic layers, and secondly transparent coatings obtained by the sol-gel process.

Artificiels structurés, présentent des propriétés inédites et des aptitudes uniques pour la manipulation d’ondes en général. L’avènement de ces nouveaux matériaux a permis de dépasser les limites classiques dans tout le domaine de l’acoustique-physique, et d’élargir l’horizon des recherches fondamentales. Plus récemment, une nouvelle classe de structures artificielles, les métasurfaces acoustiques, présentant une valeur ajoutée par rapport aux métamatériaux, avec des avantages en termes de flexibilité, de finesse et de légèreté de structures, a émergé. Inspirés par ces propriétés et fonctionnalités sans précédent, des concepts innovants pour la collecte d’énergie acoustique avec ces deux types de structures artificielles ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, nous avons développé un concept à base d’un métamatériau en plaque en se basant sur le de l’approche de bande interdite et des modes de défaut permis par le mécanisme de Bragg. Dans la deuxième partie de cette thèse, des métasurfaces d’épaisseur sublongueur d’onde et ultra-minces composées d’unités labyrinthiques ou de résonateurs de Helmholtz ont été conçues et étudiées pour s’atteler à la focalisation et au confinement de l’énergie acoustique. Cette thèse propose un nouveau paradigme de collecte d’énergie des ondes acoustiques à base des métamatériaux et métasurfaces. La collecte de cette énergie acoustique renouvelable, très abondante et actuellement perdue, pourrait particulièrement être utile pour l’industrie de l’aéronautique, de l’automobile, du spatial, de l’urbanisme / Phononic crystals (PCs) and acoustic metamaterials (AMMs), well-known as artificially engineered materials, demonstrate anomalous properties and fascinating capabilities in various kinds of wave manipulations, which have breached the classical barriers and significantly broaden the horizon of the whole acoustics field. As a novel category of AMMs, acoustic metasurfaces share the functionalities of AMMs in exotic yet compelling wave tailoring. Inspired by these extraordinary capabilities, innovative concepts of scavenging acoustic energy with AMMs are primarily conceived and sufficiently explored in this thesis. Generally, a planar AMM acoustic energy harvesting (AEH) system and acoustic metasurfaces AEH systems are theoretically and numerically proposed and analyzed in this dissertation. At first, taking advantage of the properties of band gap and wave localization of defect mode, the AEH system based on planar AMM composed of a defected AMM and a structured piezoelectric material has been proposed and sufficiently analyzed. Secondly, subwavelength (λ/8) and ultrathin (λ/15) metasurfaces with various lateral configurations, composed of labyrinthine and Helmholtz-like elements, respectively, are designed and analyzed to effectively realize the acoustic focusing and AEH. This thesis provides new paradigms of AEH with AMMs and acoustic metasurfaces, which would contribute to the industries of micro electronic devices and noise abatement as well

This thesis describes the measurements of collective effects in strongly coupled ultra-cold neutral plasmas (UNPs). It shows the implementation of experimental techniques that perturb either the density or velocity distribution of the plasma and it describes the subsequent excitation, observation and analysis of the aforementioned collective phenomena. UNPs are interesting in that they display physics of strongly coupled systems. For most plasma systems, collective effects are well described with classical hydrodynamic or kinetic descriptions. However, for strongly coupled systems, the Coulomb interaction energy between nearest neighbors exceeds the kinetic energy, and these descriptions must be modified as the plasma crosses over from a gas-like to liquid-like behavior. Strongly coupling can be found in exotic plasma systems found astrophysics, dusty plasmas, non-neutral trapped ion plasmas, intense-laser/matter interactions and inertial confinement fusion experiments. Compared to other strongly coupled plasmas, UNPs are ideal for studying collective effects in this regime since they have lower timescales, precisely controllable initial conditions and non-invasive diagnostics. Previous studies of UNPs concentrated on plasma expansion dynamics and some collective effects such as disorder induced heating, but little work had been done in relaxation or collision rates and collective modes in UNPs. This thesis presents a method for measuring collision rates by perturbing the velocity distribution of the plasma, observing plasma relaxation and measuring the relaxation rate. It also presents a new technique for observing collective modes in the plasma by perturbing the initial density of the plasma and how this results in the excitation of ion acoustic waves and a measurement of its dispersion relation. Finally, this thesis presents how this last technique can be used to create a gap in the center of the plasma and how this leads to hole propagation and plasma streaming and presents a characterization of both phenomena. The result of these experiments will be valuable for predicting the behavior of collective effects in other strongly coupled plasmas and for comparison with theories that describe them.

The threaded fasteners are one of the most versatile methods for assembly of structural components. For example, in bridges large bolts are used to fix base columns and small bolts are used to support access ladders. Naturally not all bolts are critical for the operation of the structure. Fasteners loaded with small forces and present in large quantities do not receive the same treatment as the critical bolts. Typical maintenance operations such tension measurements, internal stress checking or monitoring of crack development are not practical due to cost and time constrains. Although failure of a single non-critical fastener is not a significant threat to the structure's stability, massive malfunction may cause structural problem such as insufficient stiffness or excessive vibrations. The health of bolted joints is defined by a single parameter: the clamping force (CF). The CF is the force that holds the elements of the joint together. If the CF is too low, separation and bolt fatigue may occur. On the other hand, excessive CF may produce damages in the structural members such as excessive distortion or breakage. The CF is generated by the superposition of the individual tension of the bolts. The bolt tension, also referred as bolt preload, is the actual force that is stretching the bolt body. Maintaining the appropriate tension in bolts ensures a proper CF and hence a good health of the joint. In this thesis, a novel methodology for estimating the tension in bolts using surface acoustic waves (SAWs) is investigated. The tension is estimated by using the reflection of SAWs created by the bolt head interference. Increments in the bolt tension raise the points of interaction between the waves and the bolt head (real area of contact), and hence the position of the reflective boundaries. The variations are estimated using the "conventional linear synthetic array" imaging technique. A singular transducer is actuated from predefined positions to produce an array of signals that are subsequently arranged and added to construct an acoustic image. Three sets of experiment are presented in this research for validating the proposed concept: tension estimation of a ¼ inch stainless steel bolt, a ½ inch stainless steel bolt and ¼ inch grade 8 bolt. Acoustic images of the surface of the clamped plate illustrate a clear trend in the position of the reflective boundary when torque is changed. In all cases, the torque increments increase the real area of contact and therefore the position of the reflective boundary. As expected, the real area of contact grew from the bolt head center to the perimeter, which causes an effect of apparent movement of the boundary. This research proves the potential of the ultrasonic imaging methodology to measure applied tension. The result showed that the system can be used to successfully inspect tension in bolts of ½ and ¼ inches. The methodology investigated in this thesis is the first steps towards the development of bolt tension sensor based on surface acoustic waves.

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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Interdigitalwandlern für zukünftige SAW-Bauelemente durch die Verwendung von kupferbasierten Fingerelektroden. In Bezug auf die Akustomigration, d.h. der Elektrodenschädigung infolge hochzyklischer SAW-Belastung, besitzt Kupfer im Vergleich zu standardmäßig eingesetztem polykristallinem Aluminium eine erhöhte Beständigkeit. Diese lässt sich weiter verbessern, indem die Grenzflächen der Fingerelektroden gegen die durch SAW-Belastung auftretende Loch- und Hügelbildung stabilisiert werden. Das Ziel bestand deshalb darin, die Aktivierungsenergie für den Materialtransport an den Elektrodengrenzflächen zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit Metallisierungen in Form von Kupfer Aluminium-Schichtstapeln und -Legierungen mit jeweils geringem Aluminiumanteil hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass Fingerelektroden aus wärmebehandelten Kupfer-Aluminium-Schichtstapeln eine signifikant erhöhte Leistungsbeständigkeit aufweisen, wobei der elektrische Widerstand im Vergleich zu vollständig legierten Kupfer-Aluminium-Metallisierungen deutlich reduziert ist. Insbesondere kann dieses Schichtsystem durch Elektronenstrahlverdampfung und Lift-Off-Technologie auch kostengünstig hergestellt werden. Der Einfluss von thermischer- und SAW-Belastung auf den mechanischen Spannungszustand in einer Fingerelektrode wurde mittels einer Finiten-Elemente-Simulation untersucht. Darüber hinaus wird der Schädigungsmechanismus für die Akustomigration anhand eines erweiterten Eyringmodells diskutiert. / The aim of this dissertation is the improvement of the power durability of interdigital transducers for future SAW devices using copper based finger electrode materials. Compared to polycrystalline aluminum, which is typically used as electrode material, copper shows a higher durability with respect to acoustomigration, which can be further increased by a stabilization of the electrode interfaces against material transport. For that purpose, copper based metallizations with a small aluminum content were developed as layer stacks or alloys. It could be shown that heat-treated copper-alumininum layer stacks have a significantly higher power durability while the electrical resistivity is reduced in comparison to completely alloyed copper-aluminium metallizations. Additionally, the thin film layer system can be produced by using economical techniques such as electron beam evapouration and lift-off-technology. The influence of thermal and mechanical load on the stress distribution in the finger electrodes was investigated by a finite elements method. The damage mechanism of acoustomigration will be discussed based on an extended Eyring model.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la manipulation par forces acoustiques de particules et de fluide à petite échelle. Nous avons construit pour cela un système où des ondes acoustiques de surface sont générées sur un substrat piézo-électrique de LiNbO3 à partir d’électrodes interdigitées, puis émises dans une cavité microfluidique, à une fréquence de l’ordre de 37 MHz soient des longueurs d’onde d'environ 100 µm.Dans le cas où deux ondes stationnaires sont émises perpendiculairement et à la même fréquence, nous montrons théoriquement et expérimentalement la présence d’un terme d’interférence qui, selon le déphasage temporel entre les deux ondes, va modifier la localisation des ventres et nœuds de pression dans la cavité, mais aussi donner lieu à des tourbillons dont l’axe de rotation est perpendiculaire au substrat.Nous montrons théoriquement que ces tourbillons proviennent de la forme particulière des écoulements redressés en paroi et, en injectant des microparticules, nous avons déterminé des vitesses angulaire de plusieurs rad/s. Leur disposition spatiale suit une périodicité d'une demi-longueur d'onde, et leur sens de rotation est alternée entre tourbillons voisins horaires et anti-horaires. Que cela soit avec des globules rouges ou des particules de latex, nous avons identifié une dynamique complexe, avec la formation d’agrégats au centre des vortex sous l’effet des forces de radiations et une répartition en différents niveaux par effet de lévitation acoustique dans l’épaisseur de la cavité, en accord avec l'analyse.Dans le cas où des particules d’une dizaine de micromètres sont utilisées, nous observons, outre l’arrangement des objets dans les nœuds de pression, une rotation individuelle de chaque objet, à des vitesses angulaires plus élevées. Nous interprétons ces observations comme la première mise en évidence d’un couple d’origine acoustique sur des microparticules et cellules biologiques à partir d’ondes acoustiques de surface, constituant l’analogue à petite échelle des effets de couples acoustiques décrits par Busse et Wang en 1981.La thèse propose une description détaillée des différentes montages électriques et microfluidiques, avec les différentes étapes conduisant à un laboratoire sur puce permettant la génération tant de forces que de couples acoustiques, mais aussi la manière de qualifier électriquement et optiquement ses performances. / The focus of this PhD thesis was on particles and fluid handling through acoustic forces, at a very small scale. For this purpose, we built a micro-system based on surface acoustic waves emitted from interdigitated electrodes on a lithium niobate piezoelectric substrate. Those waves then leak into a fluid contained in a microfluidic cavity, at a frequency of 37 MHz, leading to 100 µm wavelengths.If two stationnary waves are emitted perpendicularly and at the same frequency, we theoretically and experimentally show evidence of interferences that can, depending on the time phase shift between them, nto only alter the positions of pressure nodes and antinodes in the acoustic cavity, but also give birth to acoustic vortices which axis is normal to the substrate surface.We theoretically show that those vortices come from the special behaviour of acoustic streaming due to a moving surface. Then, while injecting microparticles in the cavity, we measure angular velocities of a few rad/s. Those vortices spatial disposition follows a half-wavelength period, and their rotation alternates between neighbours: clockwise or anticlockwise. We identify a complex dynamic concerning their 3D structure, since small particles tend to aggregate in vertical columns in the center of the vortex because of radiation forces, with a vertical modulation in the height of the cavity, in good agreement with theoretical predictions.When 10 µm large particles are used instead, we observe individual rotations, even for spherical objects, with higher rotation velocities. We believe those observations to be the first evidence of an acoustic net torque exerted on micro-objects such as biological cells or beads stemming from surface acoustic waves, thus a small scale equivalent of acoustic torques described by Busse and Wang in 1981.This manuscript develops a detailed description of both electric and microfuidic devices, giving the successive steps leading to a lab on chip designed to generate acoustic forces and torques at once, and also the method for qualifying and quantifying electrically and optically its performances.

L'usage du spin des électrons pour le traitement de l'information est devenu un vaste sujet de recherche aujourd'hui, notamment grâce aux nombreuses possibilités qui en découlent. Les recherches actuelles s'étendent de la génération de courants polarisés en spin à la manipulation cohérente de spin d'électrons uniques dans des boîtes quantiques, avec des applications en électronique de spin ou en information quantique. L'objectif de cette thèse est d'étendre le développement de l'électronique de spin à l'échelle de l'électron unique. Pour cela, nous cherchons à accomplir le transport cohérent d'un spin d'électron entre deux boites quantiques. Cela constituerait un moyen prometteur d'interconnecter les différents nœuds d'un nanoprocesseur quantique. Le principe utilisé repose sur l'emploi d'ondes acoustiques de surface qui, grâce aux propriétés piézoélectriques du matériau, permettent la génération de boites quantiques en mouvement. Tout d'abord, une étude de l'injection d'un électron dans une de ces boites quantiques en mouvement a été effectuée. Le contrôle à la nanoseconde de ce processus a été démontré grâce à l'application de pulses de tension modifiant pendant un bref instant le potentiel qui confine l'électron. Dans un deuxième temps, la préparation d'une superposition cohérente d'états de spin a été réalisée à l'aide d'une double boite quantique isolée, dans une position compatible avec le transport par onde acoustique de surface. Enfin, le transport d'information de spin, codée sur un unique ou sur deux électrons, a été accompli avec une fidélité atteignant 30%. / Recently a growing interest emerged towards the use of electron spins for information processing. The current developments range from the generation of spin polarized currents to the coherent manipulation of single electron spins in quantum dots, with applications in spintronics and quantum information processing respectively. The main objective of this thesis was to develop the equivalent of spintronics at the single electron level. For that purpose, we try to achieve the coherent transport of a single electron spin between distant quantum dots. This could be a promising means of interconnecting different nodes of a quantum nanoprocessor. The electron transfer is ensured by a surface acoustic wave (SAW) that induces dynamical quantum dots thanks to the material piezoelectricity. First, the injection of a single electron from a static to a dynamical quantum dot has been studied. It enables the control of single electron transfer with unity probability down to the nanosecond timescale, thanks to a fast engineering of the static confining potential. Next, we demonstrate the possibility to prepare a coherent spin superposition, using an isolated double quantum dot in a metastable position that is compatible with SAW-assisted electron transfer. This type of isolated dot systems offers more liberty in terms of control. Taking advantage of this feature, a new scheme for coherent spin manipulations has been implemented and proved to have reduced noise sensitivity. Finally, transfer of spin information encoded in one or two electrons has been achieved, with fidelities reaching 30%.