Le Laboratoire de Recherche en Nanosciences EA 4682 s’est récemment équipé de la microscopie à force atomique haute-vitesse (HS-AFM) permettant la visualisation en temps réel des dynamiques d’interactions d’un panel infini d’échantillons biologiques à l’échelle nanométrique. De nombreux champ de recherche nécessite la mise au point de techniques permettant à la fois une imagerie dynamique (vidéomicroscopie) mais également de plus en plus une imagerie haute résolution (microscopie champ proche). Ce couplage a été récemment obtenu grâce au développement de la microscopie à force atomique ultra-rapide. La limitation actuelle de ce microscope ultra-rapide, à savoir l’acquisition d’informations en relation uniquement avec la surface de l’objet biologique étudié, crée un rempart à l’obtention de connaissances nouvelles sur les dynamiques sous-jacentes que renferment certains systèmes biomoléculaires. Pour s’affranchir de cette contrainte, nous nous proposons dans ce projet de faire évoluer notre outil de nanocaractérisation en lui ajoutant des fonctionnalités optiques et des fonctionnalités permettant de faire de la spectroscopie de force. La conduite de ce projet se fera selon un travail de développement instrumental scindé en deux grandes étapes : - l’apport d’outils de microscopie optique conventionnels : FRAP – FRET – FLIM – Fluorescence – TIRFM. Nous couplons ainsi la nanocaractérisation hautement résolue spatialement et temporellement avec des informations intrinsèques de nos échantillons. Cette complémentarité apparaît de plus en plus comme fondamentale dans les demandes des biologistes. - la mise au point de protocoles de fonctionnalisation de leviers AFM afin de réaliser de la spectroscopie de force et ainsi obtenir des informations sur les propriétés mécaniques des échantillons biologiques. Ce projet de recherche sera réalisé au Laboratoire de Recherche en Nanosciences EA 4682, Université de Reims Champagne Ardenne sous la direction du Pr. Michael Molinari et du Dr. Maxime Ewald récemment recruté en tant que maître de conférences (sept. 2013) et qui pu démarrer la thématique de la microscopie AFM haute-vitesse au sein de l’équipe. Il s’effectuera en collaboration avec le Pr. T. Ando du Biophysics Lab’ de l’Université de Kanazawa (Japon) pour la partie instrumentation, et avec le Dr. Gabriel Paës pour l’étude des échantillons biologiques. Les objets étudiés lors de cette thèse seront liés au projet ANR Lignoprog qui vient de démarrer au 1er novembre 2014 porté par Dr. Gabriel Paës (INRA UMR FARE, Reims). Dans ce projet, des échantillons biologiques se doivent d’être caractériser en dynamique. Ils concernent la biomasse lignocellulosique (BL), réseau complexe de polymères constituant les parois végétales (PV). La complexité architecturale et chimique de la BL est un frein à sa conversion industrielle. Pour atteindre ce but, non seulement la fraction cellulosique mais aussi les fractions hémicellulosiques et ligneuses doivent être valorisées, sinon les bio-raffineries ne seront pas compétitives. Le principal challenge à relever est celui du coût élevé et de la relative faible efficacité de l’étape de déconstruction enzymatique de la BL. Avec les fonctionnalités d’imagerie développées dans ce projet, nous espérons apporter des éléments de réponses sur la déconstruction enzymatique. Par ailleurs, même si les objets étudiés seront principalement ceux du projet Lignoprog, une validation du dispositif pourra être réalisée en parallèle sur d’autres échantillons biologiques tels que des cellules vivantes seront envisagées : caractérisation, mise en évidence leur réactivité vis-à-vis des divers paramètres physiologiques du milieu (pH, concentration, composition), corrélation de ces résultats avec leurs propriétés mécaniques. / Our laboratory recently acquired a high-speed atomic force microscope (HS-AFM) which enables us to visualize in real time a wide range of biological samples and their dynamics of interaction at nanoscale. Several research fields require the development of new techniques in order to get high resolution imaging and dynamic imaging at the same time. This is why HS-AFM was developed. Its current limitation is that the only data it provides are about the surface which means we can’t get access to what occurs beneath. This is limiting the knowledge we could get about the underlying dynamics of some biomolecular system. In order to overcome this issue, we propose to upgrade this nanocharacterization tool by combining optical microscopy and force spectroscopy. This project of instrumental development will be in two major steps: - the adding of conventional optical microscopy : fluorescence, TIRFM, FRAP, FRET, FLIM. The aim is to nanocharacterize sample with highly spatiotemporal data combined in combination with integral data (fundamental to respond to biological issues) - the development of tip functionalization protocols in order to achieve force spectroscopy and get mechanical properties of biological samples This project will take place at the Laboratory of Research in Nanosciences, EA 4682, University of Reims Champagne Ardennes, under the supervision of Pr. Michael Molinari and Dr. Maxime Ewald who started HS-AFM among our team. We will collaborate with Pr. T. Ando from the Biophysics Lab of Kanazawa University (Japan) for the instrumental part and with Dr. Gabriel Paës for the biological samples. The samples used during this thesis will be linked to an ANR project called Lignoprog directed by Dr. Gabriel Paës (INRA, UMR FARE, Reims) and started on the first of November, 2014. In the project, the dynamical aspect of the biological samples is essential. Indeed, lignocellulosic biomass is a complex network of polymers composing plant cell wall. Its architectural and chemical complexity prevents its industrial conversion. In order to be cost-effective, bio refineries need to valorize all the fractions: cellulose, hemicelluloses and lignins. The major challenge is the high cost and low efficiency of the enzymatic hydrolysis of the lignocellulosic biomass. Our aim is to bring some answer to understand better and improve enzymatic hydrolysis thanks to the HS-AFM and the combination of new functionalities. By the way, the disposal might be validated on other biological samples in parallel, such as live cells in order to characterize them, enlighten their reactivity in response to physiological parameters of the medium (pH, concentration, composition) and correlate the results with mechanical properties.

Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologiessurvenant en France chaque année. Les difficultés pour identifier les causes de ces maladiesproviennent pour une part d’un manque de compréhension du mécanisme de lubrificationd’une articulation synoviale saine. Dans ce contexte, un premier objectif de ce travail a été d’analyser la structurediscontinue du liquide synovial à partir de prélèvements animaux sains et de la reproduire àpartir de composants biomoléculaires commerciaux afin de comprendre le mécanisme delubrification dans le cas sain. Le deuxième objectif de cette thèse a été d’analyser l’évolution de la structure et despropriétés lubrifiantes du liquide synovial dans le stade précoce de pathologies noninflammatoiresou inflammatoires à partir de prélèvements pathologiques humains. Afind’étudier plus finement l’évolution de la lubrification pathologique cette thèse a visé àdévelopper aussi des modèles de lubrifiants obtenus à partir de cultures cellulaires desynoviocytes humains en combinant l’action de facteurs inflammatoire (cytokines).L’ensemble des résultats montre l’importance de la structure supramoléculaire duliquide synovial dans l’obtention de bonnes propriétés lubrifiantes ; cette relation devraitconstituer d’une part un paramètre clé dans le diagnostic précoce des pathologies articulaireset d’autre part une voie de développement de liquides thérapeutiques à base de lubrifiantsnanostructurés / Osteoarticular diseases account for approximately 10% of all diseases occurring inFrance each year. The difficulties in identifying their causes are also due to a deficiency inunderstanding the lubrication mechanism of healthy synovial joint.In this context, the first objective of the present study was to analyze the discontinuousstructure of synovial fluid samples from healthy animals and to reproduce it using commercialbiomolecular components in order to understand the lubrication mechanism in the healthycase. The second objective of this thesis was to analyze the evolution of the structure andthe lubricating properties of synovial fluid in the early stage of non-inflammatory andinflammatory diseases using pathological human fluid samples. In order to study moreprecisely the evolution of pathological lubrication this work aimed to develop lubricantmodels obtained from cell cultures of human synoviocytes adding the action of pathologicalinflammatory factors (cytokines). All together the results show the importance of the supramolecular structure of thesynovial fluid in obtaining good lubricating properties what may be a key parameter in theearly diagnosis of joint diseases and even more a chance to develop therapeutic fluids basedon nanostructured lubricants

Ce travail de thèse est dédié à l'étude de quelques phénomènes de surface impliquant des processus d'interactions à l'échelle nanométrique. Les expériences sont réalisées à l'aide un microscope à force atomique (AFM) à grande sensibilité, utilisant un interféromètre différentiel permettant d'atteindre une résolution de E-28m2/Hz dans la mesure de la déflexion de la sonde de force. Combiné à une approche originale d'analyse du bruit thermique, cet outil permet une caractérisation quantitative de la réponse mécanique de systèmes de taille micrométrique et nanométrique, tel que des micro-leviers ou des nanotubes de carbone, sur une large plage de fréquence.La première partie de mon travail porte sur la viscoélasticité du revêtement de leviers AFM. Mis en évidence par un bruit thermique en 1/f à basse fréquence, ce phénomène est présent lorsque le micro-levier est recouvert d'une couche nanométrique de métal (or, aluminium, platine, etc.) À l'aide du théorème fluctuation-dissipation et des relations de Kramers-Kronig, nous mesurons la dépendance en fréquence de cet amortissement viscoélastique dans une large gamme de fréquence (1Hz à 20 kHz. Nous observons une dépendance en fréquence générique sous la forme d'une loi de puissance pour ce processus de dissipation, avec un petit coefficient négatif qui dépend du matériau considéré. L'amplitude de cet effet est linéaire avec l'épaisseur du revêtement, démontrant ainsi que le mécanisme de dissipation est une propriété du volume de la couche métallique plutôt que de ses interfaces.La deuxième partie de mon travail se concentre sur de nouvelles expériences sur l'interaction de nanotubes de carbone avec des surfaces planes. En utilisant notre AFM, nous réalisons une mesure directe de la réponse mécanique (raideur, dissipation) du contact entre le nanotube et la surface, dans une géométrie de pelage (le nanotube est partiellement adsorbé sur la surface). Les résultats de ce protocole sont en accord avec la mesure de la raideur dynamique déduite de l'analyse du bruit thermique, démontrant une dépendance inattendue en loi de puissance de la raideur du contact en fonction de la fréquence. Nous proposons quelques origines physiques possibles pour expliquer ce comportement, tel qu'une couche de carbone amorphe autour du nanotube. / In this thesis, we test some interactions involving surfaces processes at the nanometer scale. The experiments are conducted with a highly sensitive interferometric Atomic Force Microscope (AFM), achieving a resolution down to E-28m2/Hz for the measurement of deflection. Combined with original thermal noise analysis, this tool allows quantitative characterization of the mechanical response of micrometer and nanometer sized systems, such as microcantilevers or carbon nanotubes, on a large frequency range.The first part of my work deals with the viscoelasticity of the coating of AFM cantilevers. Evidenced by a 1/f thermal noise at low frequency, this phenomenon is present when a cantilever is coated with a metallic layer (gold, aluminium, platinium, etc...). Using the fluctuation dissipation theorem and Kramers Kronig relations, we extract the frequency dependance of this viscoelastic damping on a wide range of frequency (1Hz to 20kHz). We find a generic power law dependence in frequency for this dissipation process, with a small negative coefficient that depends on materials. The amplitude of this phenomenon is shown to be linear in the coating thickness, demonstrating that the damping mechanism takes its roots in the bulk of the metallic layer.The second part of my work tackles new experiments on the interaction of carbon nanotubes with flat surfaces. Using our AFM, we perform a true mechanical response measurement of the rigidity and dissipation of the contact between the nanotube and the surface, in a peeling configuration (the nanotube is partially absorbed to the substrate). The results of this protocol are in line with the dynamic stiffness deduced from the thermal noise analysis, showing an unexpected power law dependence in frequency for the contact stiffness. We suggest some possible physical origins to explain this behavior, such as an amorphous carbon layer around the nanotube.

Cette thèse propose, décrit et utilise un ensemble de techniques basées sur la microscopie à force atomique sous ultravide pour la cartographie simultanée, à l'échelle nanométrique, de la topographie de surface et des dynamiques temporelles des photo-porteurs. Ainsi, en contrôlant la dépendance du photo-potentiel de surface moyen mesuré par microscopie à force de sonde Kelvin en fonction de la fréquence de répétition d'une source lumineuse externe d'excitation, le dispositif expérimental permet d’accéder aux dynamiques temporelles du photo-potentiel de surface qui, à leur tour, permettent d'étudier les dynamiques des photo-porteurs sur une large gamme d'échantillons. Afin de permettre le processus de nano-imagerie bidimensionnelle, ces mesures sont acquises de manière répétée en enregistrant des courbes spectroscopiques en chaque point d’une grille prédéfinie. En utilisant une procédure d'ajustement mathématique automatique, les dynamiques temporelles des photo-porteurs sont extraites à partir des données expérimentales.Cet ensemble de nouvelles méthodes est utilisé pour l’étude de plusieurs types d'échantillons issus de différentes technologies photovoltaïques telles que des couches minces en silicium poly-cristallin à petits grains, des cellules de troisième génération à nano cristaux de silicium, des cellules photovoltaïques organiques et des cellules à base de matériaux de structure pérovskite. Dans chaque cas, on décrit les processus de recombinaison des photo-porteurs ainsi que leur lien avec la morphologie et la structuration du matériau. Enfin, les aspects techniques de ces nouvelles méthodes d’analyse sont présentés, ainsi que leurs limites, notamment celles concernant l'interprétation des résultats. / This thesis is directed towards the proposition and demonstration of a set of novel advanced atomic force microscopy based techniques under ultra-high vacuum conditions, enabling to map simultaneously the surface topography and the photo-carrier dynamics at the nanometre scale. In fact, by monitoring the dependence of the average surface photo-voltage measured with Kelvin probe force microscopy, as a function of the repetition frequency of a modulated excitation source, we will access the built-up and decay dynamics of the surface photo-voltage response which in turn will allows us to study the photo-carrier dynamics over a wide range of samples. In order to enable the 2-dimensional nano-imaging process, Kelvin probe force microscopy under modulated illumination measurements are acquired repeatedly over each point of a predefined grid area over the sample acquiring a set of spectroscopy curves. Then, using an automatic mathematical fit procedure, spectroscopy curves are translated into pixels of the photo-carrier dynamic time-constant images.Moreover, these set of novel techniques will be used to investigate the surface photo-voltage dynamics in several kinds of photovoltaic samples from different technological branches such as small grain polycrystalline silicon thin films, silicon nanocrystal-based third generation cells, bulk heterojunction donor-acceptor organic photovoltaics and organic-inorganic hybrid perovskite single crystal cells, discussing in each case the photo-carrier recombination process and its relation with the material’s structuration/morphology. Finally, technical aspects of these novel techniques will be discussed as well as their limitations and remaining open question regarding results interpretation.

Face à la quête constante de miniaturisation, les nanosciences ont connu un essor fulgurant lors de la dernière décennie. Au sein de ces dernières, les procédés lithographiques – clé de voûte de l’industrie des semi-conducteurs – permettent désormais d’accéder à des nanomatériaux fonctionnels. Malgré les récents développements technologiques, l’obtention de nanostructures possédant une résolution inférieure à 100 nm reste un défi majeur pour la communauté scientifique.Devant l’intérêt grandissant de développer des méthodes alternatives en nanolithographie, notre groupe s’est tourné vers une approche chimique, nommée nanolithographie par sonde locale catalytique (cSPL). Combinant la robustesse de la catalyse organométallique et la flexibilité offerte par la microscopie à sonde locale, notre stratégie permet la nanostructuration de surfaces organominérales par la création de liaisons covalentes dans des conditions douces. Cette approche innovante constitue le premier exemple d’immobilisation d’un catalyseur homogène à la surface d’une pointe d’un microscope à force atomique (AFM), dans l’optique de contrôler spatialement une réactivité chimique, l’époxydation localisée d’alcènes terminaux. Ces fonctions époxydes ont été employées comme points d’ancrage dans la nanostructuration à façon de surfaces de silicium avec une large variété de nucléophiles. De plus, l’optimisation des paramètres physico-chimique influant sur la réaction, a permis d’atteindre des résolutions latérales de l’ordre de 40 nm et laisse entrevoir de nombreuses perspectives dans la nanostructuration tridimensionnelle de matériaux organiques. / In regard to the constant quest for miniaturization, the field of nanosciences has known a tremendous expansion over the last decade. More precisely, lithographic technologies - key processes for the semi-conductor industry – allow to access to functional nanomaterials. Despite recent technological developments, the synthesis of nanostructures with a sub-100 nm resolution remains a major challenge for the scientific community.Due to the growing interest in the design of new nanolithographic methods, our group has focused its efforts on the development of a chemical approach, named catalytic scanning probe lithography (cSPL). Unifying the robustness of organometallic catalysis and the flexibility offered by scanning probe microscopy, our strategy allows the nanostructuration of organomineral surfaces in a soft controlled manner by the formation of covalent bonds. This innovative approach represents the first example of the immobilization of an homogeneous catalyst on the edge of an atomic force microscope (AFM) tip, in order to spatially control a chemical reaction: the localized epoxidation reaction of terminal alkenes. Those epoxides were then used as anchoring sites, in the nanostructuration of silicon wafers with a broad range of nucleophiles. Moreover, the different physico-chemical parameters influencing the reaction were optimized, allowing us to reach lateral resolutions down to 40 nm and opening new perspectives in the field of 3D-nanostructuration of organic materials.

L'électronique supramoléculaires vise à construire et à étudier les propriétés optoélectroniques des architectures supramoléculaires à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est d'obtenir le contrôle de l'organisation des systèmesmoléculaires organiques et de corréler leur structure avec les propriétés électriques, avec une attention particulière sur les propriétés à l'échelle nanométrique. Les stratégies exploitées nécessitent un design chimique adapté, un équilibre desinteractions intermoléculaires et d'interface, un contrôle sur la cinétique des processus et, éventuellement, l'exploitation des forces extérieures. Les résultats présentés montrent que la compréhension des propriétés locales d'un matériau sur une base à l'échelle nanométrique est un énorme défi fondamental vise à apporter des solutions à des questions scientifiques et technologiques, puisque les performances dans les appareils électroniques sont fortement dépendante de l'ordre au niveau supramoléculaire. / Supramolecular electronics aims to construct and investigate the optoelectronic properties of tailored supramolecular nanoarchitectures. The aim of this thesis is to get control over the organization of organic molecular systems and correlate their structure with the electrical properties, with particular attention at the nanoscale properties. The exploited strategies require a focused molecular design, the balancing of intermolecular and interfacial interactions, a control on the kinetics of the processes and possibly the exploitation of external forces. The presented results showed that understanding the local properties of a material on a nanoscale basis is a huge fundamental challenge to bring solutions to both scientific and technological issues, since in electronic devices the performances are strongly dependent on the order at the supramolecular level.

Élaborer ou structurer des matériaux à l’échelle nanométrique permet d’aborder une physique nouvelle mais également de réaliser des dispositifs fonctionnant sur des principes originaux utilisées dans divers domaines (médecine, énergie, électronique, optique, catalyse..). Ce travail porte sur l’étude de l’assemblage des nanoparticules d’or colloïdales (NPs) en structures d’agrégation mésoscopiques, assisté par le séchage des fluides complexes et de leur manipulation par Microscope à Force Atomique (AFM) sur des surfaces modèles. Une première partie présente la synthèse des NPs d’or et des surfaces moléculaires auto-assemblées sur des substrats rigides. Ensuite, l’étude de la formation des structures d’agrégation assistée par le mouillage et le séchage des fluides complexes ( NPs et polysaccharide) sur des surfaces moléculaires a permis de mettre en évidence le rôle crucial du couplage entre les propriétés de volume singulières de ces fluides, et celles de surface du substrat dans la formation de structures d’agrégation complexes (fractales, et dendrites en particulier). Dans un troisième temps, les travaux abordent à l’étude et la compréhension du vieillissement (dégénérescence et reconstruction) des structures mésoscopiques élaborées. Entre autres résultats, ces travaux ont mis en évidence la nature ‘diffusionnelle’ de la dislocation des structures, laquelle se traduit par la mobilité d’agrégats nanoparticulaires en surface. Afin de mieux appréhender cette problématique de mobilité individuelle et/ou collective (cluster) des NPs, une étude détaillée basée sur la manipulation des NPs par AFM en mode Tapping a été réalisée. L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail de thèse a permis d’une part, i) de proposer de nouvelles approches d’assemblage de macromolécules et de particules, assisté par les phénomènes de mouillage, ii) de comprendre les mécanismes à l’origine de la formation de ces structures d’agrégation complexes (fractales compactes et fibrillaires) sur des substrats homogènes et hétérogènes, et d’autre part, iii) de contrôler la stabilité et le vieillissement de ces structures d’agrégation complexes en vue d’une validation de la fiabilité éventuelle de nanomatériaux issus d’assemblages à base de NPs. / This work deals with the study of the drying-mediated assembly of colloidal gold nanoparticles (Au NPs) in mesoscale aggregation patterns and their manipulation by atomic force microscopy (AFM) on model surfaces. The assembly of NPs in mesoscale and complex aggregation patterns assisted by the wetting and the drying of complex fluids (suspensions of NPs, NPs/biopolymers mixed solutions) on homogeneous and heterogeneous molecular surfaces was studied. This issue is important, both for understanding fundamental processes of self-organization, and for generating new functional mesostructures. The drying of complex fluids often leads to the emergence of highly complex aggregation structures as shown and discussed in this work. The richness and the aesthetics of these complex structures generated by these interfacial phenomena reflect not only the bulk properties of fluids (different sizes and lengths- scales, kinetic changes in state), but more importantly, the coupling between the fluid properties and those of the substrate surface (wetting interactions, confinement, hydrodynamics). In the case of two important heterogeneous fluids which are Au NPs and polysaccharide solutions, these drying-mediated structure formation lead to the genesis of unusually large and highly ramified dendrites aggregation patterns. The growth mechanism and the critical parameters that control the morphogenesis of these complexes structures are addressed in this work. In addition, the aging mechanisms and kinetics of these structures that are metastable and evolve either through direct dislocation via clusters NPs mobility on the surface, or through undulation-induced roughning of the dendrite branches. To better understanding this NPs mobility and thus the dislocation mechanism of the aging, a detailed study based on the manipulation of NPs by atomic force microscopy in tapping mode (AFM) was developed. The threshold dissipated energy to manipulate (move) the NPs can be quantified according to the intrinsic parameters of the particle (size, shape, and chemical nature), the chemical nature and topography of the substrate, and finally the operating and environment conditions. This work enabled us to understand the mechanisms and characterize the critical parameters that may intervene in the dislocation (aging) of NPs-based functional structures, depending on the nature of the environment liquid and the substrate. Finally, this work proposes an approch of evaluation and of monitoring the stability and the aging of these aggregation structures, in particular, those formed from the drying of films and drops of nano-particles solutions (metal nanoparticles, blood: proteins, viruses ...).

Les travaux de recherche effectués lors de cette thèse portent sur l’obtention de nanotubes de carbone ultracourts et leur biofonctionnalisation pour une utilisation comme biomarqueur proche infrarouge. Des dispersions de nanotubes de carbone en milieux aqueux ont été formulées à l’aide de différents tensioactifs. Un traitement chimique oxydant préalable et/ou l’application d’ultrasons aux nanotubes ont permis de réduire leur longueur de façon significative, la sélection des plus courts étant effectuée par ultracentrifugation en gradient de densité. Les différentes fractions sélectionnées à l’issu de ce processus ont été caractérisées par spectroscopie Raman et spectroscopie d’absorption ainsi que par microscopie à force atomique. Il est ainsi montré la sélection de nanotubes d’une longueur inférieure à 20 nm. Nous montrons également leur fonctionnalisation à l’aide d’anticorps monoclonaux et leur visualisation par imagerie photothermique hétérodyne. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec la fixation spécifique de nanotubes de carbone ultracourts sur des cellules. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives en bioimagerie et en particulier l’étude de la plasticité synaptique au sein de neurones vivants. / This thesis reports the achievement of ultrashort carbon nanotubes and their biofunctionalization for applications as near-infrared biomarker. Dispersions of carbon nanotubes in aqueous media have been formulated with various surfactants. Oxidizing chemical treatments combined with the application of ultrasounds allowed significant shortening of the carbon nanotubes. Sorting and selection of the shortest nanotubes was done by density gradient ultracentrifugation. The different fractions selected at the end of this process have been characterized by Raman spectroscopy, UV-vis absorption spectroscopy and atomic force microscopy. Selection of nanotubes of a length below 20 nm is demonstrated. We also show functionalization by antibodies and the visualization of ultrashort functionalized nanotubes by photothermal heterodyne imaging. Promising results were obtained with the specific binding of ultrashort carbon nanotubes to cells. This work open route towards bioimaging applications and in particular towards the study of the synapsis plasticity within alive neurons.

Wir haben blau, grün und orange leuchtende organische Nanofäden oder Nanonadeln und Mikroringe aus para-Hexaphenyl (p-6P), alpha-Quaterthiophen (alpha-4T) und alpha-Sexithiophen (alpha-6T) mittels Organischer Molekularstrahlepitaxie (OMBE) auf Muskovit Glimmer hergestellt. Die Aggregate haben wir mit der Atomkraftmikroskopie, mit der Fluoreszenz-Mikroskopie und durch UV-vis Spektroskopie charakterisiert. Auf der Muskovit Oberfläche wachsen p-6P Fäden parallel zueinander auf und zeigen zwei verschiedene Orientierungsdomänen entlang [110] und [1-10]. Mit Hilfe einer systematischen statistischen Analyse diskutieren wir das Wachstum dieser p-6P Nadeln für verschiedene Wachstumsbedingungen. Zusätzlich zu den Fäden haben wir p-6P Cluster auf der Oberfläche beobachtet. Nadeln werden durch die Aggregation solcher Cluster gebildet. Ein Realraummodell der Morphologie der Nadeln sowie ein Modell für deren Wachstum werden vorgestellt. Indem wir Glimmer zunächst mit einer dünnen Goldschicht bedecken und die Wachstumsparameter variieren, erreichen wir eine weitgehende Kontrolle der Morphologie der Nadeln (Länge von 0,5 Mikrometer bis 1 mm, Höhe von 25 bis 300 nm und Breite von 100 bis 600 nm). Im Gegensatz zu p-6P orientieren Thiophene ihre Wachstumsrichtungen an allen hoch symmetrischen Richtungen von Glimmer. Es wird gezeigt, dass die Mechanismen für das Fadenwachstum von beiden Oligomere gleich sind, nämlich eine Kombination aus Epitaxie und einer Dipol-unterstützten Ausrichtung. Auch die Strukturen dieser Fäden sind ähnlich: die Moleküle liegen parallel angeordnet auf der Oberfläche, ihre Längsachsen orientieren sich schräg zur Längsachse der Fäden. Auf mit Wasser oder Methanol vorbehandeltem Glimmer wachsen diese beiden Oligomere als gebogene Fäden und Mikroringe auf. Diese Oberflächenvorbehandlungen sowie das Wachstum von p-6P auf Gold/Glimmer unterstützen auch den Wachstumsmechanismus auf der sauberen Glimmer-Oberfläche. / By using organic molecular beam epitaxy (OMBE) blue, green and orange light emitting organic nanofibers or nanoneedles and microrings from para-hexaphenyl (p-6P), alpha-quaterthiophene (alpha-4T) and alpha-sexithiophene (alpha-6T), respectively, on muscovite mica surfaces are generated. The aggregates are characterized by atomic force microscopy, fluorescence microscopy and UV-vis spectroscopy. On muscovite mica, p-6P fibers usually grow mutually parallel showing two domains of their orientations with an angle of 120 degree in between. The detail growth of nanofibers from p-6P by performing a systematic statistical analysis of fibers as a function of various growth conditions is discussed. Furthermore, the morphology exhibits p-6P clusters, which are found to be fibers´ building blocks. A real space model of the fiber and a model for their growth are also presented. By introducing a thin gold layer on mica prior to p-6P deposition together with varying growth parameters, the morphology of fibers is controlled in a wide range (length from 0.5 micrometer to 1 mm, height from 25 to 300 nm and width from 100 to 600 nm). In contrast to p-6P, thiophene fibers exhibit various orientations close to mica high symmetry directions. It is shown that the mechanism behind the fiber growth from all molecules on mica is the same, i.e. a combination of epitaxy and dipole assisted growth process. The fiber microscopic structures are similar, too: molecules take lying orientations and they hold themselves parallel pointing their long axes along an oblique direction off the long fiber axis. The growth of both types of oligomers on water or methanol treated mica surfaces leads to the formation of bent fibers and microrings. This surface pretreatment and the growth of p-6P on gold/mica support the fiber growth mechanism on plain mica.

Transport électronique dans l'ADN Ce travail se situe dans le cadre des recherches en électronique moléculaire. La problématique de la conduction électrique dans l'ADN a été posée en 1962 par Eley et Spivey peu de temps après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick en 1953. A l'heure actuelle, il n'y a pas de consensus sur les propriétés de conduction à travers l'ADN. Le transfert de charges sur des distances de quelques nanomètres a été étudié en solution et est assez bien compris. En revanche, les mesures directes sur des électrodes donnent des comportements allant de la supraconductivité induite à l'isolant, en passant par semi-conducteur. Notre travail a été motivé par cette controverse. Nous avons étudié les propriétés électroniques de l'ADN déposé sur différentes couches moléculaires auto-assemblées sur des substrats de silicium. La préparation des surfaces et le dépôt d'ADN constituent la première partie de notre étude. La conductivité de l'ADN a ensuite été mesurée entre des électrodes fabriquées sur un support isolant ou par le biais d'un AFM conducteur. Dans ce dernier cas, la pointe de l'AFM permet tout à la fois d'imager la surface et de servir de seconde électrode pendant la mesure électrique. Deux types de résultats ont été obtenus : les comportements vont de l'isolant au conducteur, les résistances s'étalent sur au moins 6 ordres de grandeur, de 109 W à 1015 W, avec toutefois une plus faible fréquence de mesure des conductivités élevées. Deux points permettent d'expliquer cette grande disparité : d'une part, l'obtention d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN et, d'autre part, la méthode de dépôt de l'ADN sur la surface. La formation d'un contact électrique entre l'électrode et l'ADN nécessite des traitements en général destructifs pour la molécule. Ce contact peut être amélioré en utilisant un paquet de molécules d'ADN comme intermédiaire entre l'électrode évaporée et la corde d'ADN que l'on étudie. Cependant, cette méthode ajoute une résistance série importante. Des mesures systématiques ont été réalisées en fonction de la distance de la pointe AFM au paquet d'ADN et du nombre estimé de brins d'ADN dans la corde. Le dépôt de l'ADN étant un facteur primordial, nous concentrons nos efforts sur ce point pour comprendre plus avant le lien entre la structure de l'ADN et ses propriétés de conduction. Mots-clés : Electronique moléculaire, nanobiotechnologie, ADN, dépôt d'ADN, Microscopie à Force Atomique, AFM conducteur, monocouche auto-assemblée