Ces travaux de thèse ont eu deux objectifs: i) le développent de systèmes nanofluidique en utilisant une méthode non-lithographique, peu chère et facilement transposable à l'échelle industrielle ii) la compréhension des phénomènes nanofluidiques au travers des études expérimentales et de modélisation. Des couches minces mesoporeuses, en particulier des structures planaires avec des nanopiliers, ont été utilisé pour des études sur l'infiltration capillaire des liquides dans espaces confiné au niveau nanométrique. En plus des premiers tests pour des applications plus complexes comme des séparations et réactions nanoconfiné. Des structures mesoporeuses non-organisés ont aussi été étudiées pour déterminer la relation entre la nanostructure et la vitesse de remplissage capillaire. A été aussi démontré que pour des porosités avec des forts rétrécissements le remplissage capillaire se produit par l'intermédiaire d'une phase vapeur. Les échantillons ont été préparés par dip-coating. Une méthode de préparation basé sur une substitution de la plus grande parte de la solution à déposer par un fluide inerte a été développé. La méthode permet de réduire fortement le cout de procédé et, par conséquence, de faire des dépôts sur plus grande surface. Un effort dans la modélisation des phénomènes nanofluidiques a aussi été fait pendant cette thèse. Une méthode de simulation qui permet de décrire adéquatement les interactions hydrodynamiques dans un système nano a été utilisée pour simuler un flux électro-osmotique. La méthode, Stochastic Rotational Dynamics, a été valide par confrontation avec des résultats connus et l'influence des certains paramètres de simulation évaluée dans le détail. / This thesis had a dual purpose: i) the development of nanofluidic devices through not lithographic, cheap and scalable bottom-up approach ii) the understanding of nanofluidic phenomena both through experiments and simulations. Mesoporous thin films, in particular Pillared Planar Nanochannels (PPNs), were prepared and utilized to study the capillary infiltration of liquids in nanostructures and have been tested for future nanofluidic applications like separations and nanoconfined reactions. Non organized mesoporous films have also been studied to determine the relationship between nanostructure characteristics and infiltration speed. It has been also demonstrated that in the case of porosities with reduced bottle-necks capillary penetration is performed through a vapor mediated mechanism The samples were prepared by dip-coating. A novel method of preparation based on the substitution of a large part of the deposing solution in dip-coating with an inert fluid has been developed in order to strongly reduce the fabrication costs and allow the preparation of larger samples. Moreover advancement in control of the dip-coating technique in “acceleration-mode” to produce thickness gradients has been developed and some potential application linked to fluidics shown. Finally a part of the effort of this thesis has been placed in the modeling of the electro-osmotic phenomenon in nanostructures through a rather novel simulation method, Stochastic Rotational Dynamics, which takes into account the hydrodynamics and the other interactions inside a nanofluidic system. Validations of the method and further investigations in particular nanofluidic conditions have been performed.

La réalisation de micro et nanomatériaux avec des propriétés contrôlées nécessite le développement de nouvelles voies d’élaboration dites ascendantes « ou Bottom-up ». Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à maîtriser la formation d’agrégats de particules colloïdales et de cellules, avec des applications potentielles dans les domaines des biocapteurs, de la microélectronique, de l’optique et de l’ingénierie tissulaire. L’approche proposée pour assembler les particules en structures organisées se base sur l’emploi de la diélectrophorèse, reposant sur l’application d’un champ électrique non- uniforme. L’un des inconvénients de cette technique tient au caractère réversible des assemblages ainsi formés, l’annulation du champ électrique entrainant la redispersion des colloïdes. Afin d’apporter une solution à ce problème, il est possible de recourir à un couplage chimique pour maintenir la cohésion des structures formées dans le milieu liquide. Afin de mieux maîtriser le comportement diélectrophorétique et les réactions chimiques exploitées, des travaux de caractérisation électrique et chimique des particules manipulées ont été réalisés. D’autre part, différents types de microélectrodes ont été étudiées pour la génération du champ électrique nécessaire à l’assemblage. Une nouvelle filière technologique a été développée pour la réalisation de microélectrodes transparentes en ITO et leur intégration en système microfluidique, basée sur l’exploitation du pouvoir isolant d’une fine couche de PDMS micro-structurée. La méthode a été appliquée à la fabrication de microélectrodes « verticales » puis à la réalisation de matrices d’électrodes quadripolaires. Ces dernières ont permis d’obtenir des assemblages permanents de particules de polystyrène fluorescentes présentant des groupements carboxyliques en surface, en combinant l’emploi de la diélectrophorèse négative et l’utilisation d’un agent de couplage chimique (Jeffamine). Des agrégats de cellules HEK 293 ont également été réalisés par diélectrophorèse négative. Nous avons démontré qu’il était possible, sous certaines conditions, de préserver le caractère permanent des agrégats cellulaires après coupure du champ. / The design of micro and nanomaterials with controlled properties requires the development of new bottom- up assembly approaches. The work presented in this manuscript aims to control the formation of aggregates of colloidal particles and cells, with potential applications in the fields of biosensors, microelectronics, optics and tissue engineering. The proposed approach for assembling colloids into organized structures is based on the use of dielectrophoresis, a phenomenon observed when polarizable particles are placed in a non-uniform electric field. One of the drawbacks of this technique is the reversibility of the assemblies thus formed, the cancellation of the electric field causing the redispersion of the colloids. As a solution to this problem, we proposed to use a coupling agent to maintain the cohesion of the structures formed in the liquid medium. In order to better control the dielectrophoretic behavior and the chemical reactions exploited, electrical and chemical characterizations of the manipulated particles were carried out. Moreover, different types of microelectrodes have been studied for the generation of the electric field required for the assembly. A new approach has been developed for the fabrication of transparent micro patterned ITO microelectrodes and their integration in microfluidic systems, based on the exploitation of a thin micro-structured PDMS membrane used as an insulating layer. The method has been applied to the fabrication of "vertical" microelectrodes and of quadrupolar electrode arrays. The latter were used to obtain permanent assemblies of carboxylic acid functionalized, fluorescent, polystyrene particles, by combining negative dielectrophoresis with the use of a chemical coupling agent (Jeffamine). HEK 293 cell aggregates were also produced by negative dielectrophoresis. We have demonstrated that it was possible, under certain conditions, to preserve the permanent character of the cell aggregates after field removal.

La fabrication d’aimants permanents nano-structurés est l’une des solutions envisagées pour remplacer les aimants actuels à base de terres rares, pour lesquelles se posent des problèmes géopolitiques et environnementaux. Dans le but d’élaborer de tels matériaux, nous avons suivi une approche bottom-up utilisant des méthodes chimiques.Nos travaux ont visé dans un premier temps à synthétiser des nanoparticules (NPs) magnétiques dures qui peuvent servir de briques élémentaires dans la fabrication d’aimants nano-structurés. Notre étude systématique sur des nanobâtonnets de cobalt (NBs Co) synthétisés par voie polyol, a montré que leur champ coercitif augmente de 3 à 7 kOe avec la diminution du diamètre et l’augmentation du rapport d’aspect structural. Des simulations micro-magnétiques ont montré qu’un mécanisme de retournement d’aimantation par nucléation-propagation de parois rendait compte des résultats expérimentaux. Des NPs bi-métalliques FePt et tri-métalliques FePtX (X = Ag, Cu, Sn, Sb) de structure CFC ont été obtenues par l’adaptation d’une synthèse organométallique ou par la réduction d’acétylacétonates métalliques. Les recuits à haute température (650°C pour FePt, 400°C pour FePtX) ont conduit à la transition de phase FePt CFC L10 et à des champs coercitifs élevés (>12 kOe). La maîtrise d’un procédé multi-étapes, impliquant la protection des NPs FePt CFC par une coquille MgO et un recuit à 850°C, a permis d’obtenir des NPs FePt L10 de taille moyenne 10 nm présentant des champs coercitifs jusqu’à 27 kOe.La seconde partie de nos travaux a porté sur l’assemblage de NPs présentant des anisotropies différentes. Deux systèmes ont été étudiés : FePt CFC+FeCo CC, FePt L10+NBs Co HCP. Dans les deux cas, le contact entre les deux types de NPs a été favorisé par l’utilisation d’un ligand bi-fonctionnel suivi d’un traitement thermique. Dans le système FePt+FeCo, le recuit à haute température (650°C), nécessaire pour obtenir la phase FePt L10, a entraîné l’inter-diffusion des phases et la quasi-disparition de la phase FeCo CC. Dans le second système FePt+Co, un comportement de spring magnet a clairement été identifié, les deux phases étant efficacement couplées. L’inter-diffusion des phases a été limitée par la température modérée du recuit (400°C). Un champ coercitif de 10 kOe a été mesuré pour une teneur en Pt de seulement 25%at., malgré la perte de la forme anisotrope des NBs Co. / The production of nano-structured permanent magnets is a promising alternative to rare earth magnets, which induced geopolitical and environmental issues. In order to elaborate such materials, we followed a bottom-up approach based on chemical methods. A first objective consisted in synthesizing hard magnetic nanoparticles (NPs) as building blocks for nano-structured magnets. The properties of cobalt nanorods (Co NRs) synthesized by the polyol process have been systematically studied. Coercive fields could be raised from 3 to 7 kOe by decreasing the diameter and improving the structural aspect ratio. Micro-magnetic simulations showed that a magnetization reversal following a nucleation and domain-wall propagation process could explain the experimental results. Bi-metallic FePt and tri-metallic FePtX (X = Ag, Cu, Sn, Sb) exhibiting the FCC structure were synthesized following two routes based on the reduction of an organometallic Fe precursor or of metallic acetylacetonates. Annealing at high temperatures (650°C for FePt, 400°C for FePtX) allowed the phase transition FCC  L10 to occur, leading to high coercive fields (>12 kOe). A multi-steps process, involving the protection of FePt NPs with an MgO shell and an annealing at 850°C, was optimized to produce L10 FePt NPs with a mean size of 10 nm and a coercivity up to 27 kOe. In the second part of our study, we worked on assemblies of NPs with different magnetic anisotropies. Two systems were studied : FCC FePt+BCC FeCo, L10 FePt+HCP Co NRs. In both cases, the contact between the two types of NPs was favored by the presence of a bi-functional ligand followed by an annealing step. Concerning the FePt+FeCo system, the high temperature annealing (650°C), required to get the L10 FePt phase, led to the inter-diffusion of the phases and to the dissolution of the BCC FeCo phase. For the FePt+Co system, a spring magnet behavior has been clearly evidenced, the two phases being efficiently coupled The inter-diffusion of the phases was limited thanks to the fairly low annealing temperature (400°C). A coercive field of 10 kOe was measured for a Pt content as low as 25%at., eventhough the Co NRs anisotropic morphology was lost