Le fil conducteur de notre activité de recherche est d'acquérir et développer une expertise en physique épitaxiale, pour fabriquer et mettre à disposition du magnétisme des objets originaux, que nous étudions ensuite. Le titre du manuscrit vient de ce que nous cherchons à démontrer l'utilité de l'auto-organisation pour les matériaux magnétiques. Ces intérêts peuvent être rangés dans deux catégories. La première catégorie consiste à utiliser des systèmes auto-organisés comme systèmes modèles, pour étudier des phénomènes qui ne peuvent être analysés finement dans les matériaux conventionnels, du fait de leur complexité structurale "...aux systèmes magnétiques" s'entend alors comme l'application aux matériaux magnétiques, de connaissances acquises sur les systèmes auto-organisés. La seconde catégorie consiste à lever les verrous qui font que les systèmes auto-organisés ne peuvent actuellement être utilisés en tant que matériaux, notamment du fait du superparamagnétisme à température ambiante. "...aux systèmes magnétiques" s'entend alors comme l'amélioration des systèmes auto-organisés pour leur conférer le statut de matériaux.

Ce travail de thèse propose de réaliser un nanofil électrique auto-assemblé constitué de protéines. L'unité de base de ce nanofil est une protéine chimère comprenant un domaine capable de former des fibres amyloïdes (Het-s 218-289) et un domaine capable d'effectuer des transferts d'électrons (une rubrédoxine). Le premier domaine permet la réalisation d'une fibre par auto-assemblage tandis que le deuxième est exposé à la surface de cette structure. Les caractéristiques redox du domaine exposé permettent aux électrons de se déplacer d'un bout à l'autre de la fibre par sauts successifs. Un tel nanofil a été créé et caractérisé par différentes techniques biophysiques. Ensuite, la preuve de la conduction des nanofils a été apportée sur des ensembles d'objets, de manière indirecte par électrochimie, et de manière directe par des mesures tension/courant. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation d'objets biocompatibles, biodégradables, possédant des propriétés électroniques exploitables dans des dispositifs technologiques.

L'objectif de ces travaux est la synthèse molécules destinées à la formation de fils moléculaires par auto-assemblage. La reconnaissance sélective d'un noyau imidazole par une porphyrine de zinc à anse phénanthroline est utilisée comme outil pour l'assemblage. Plusieurs variations structurales ont été apportées aux blocs d'assemblage de manière à explorer différentes possibilités de contrôle sur la formation des fils moléculaires. Sont présentés dans ce document, les synthèses des molécules, ainsi qu'une partie des études réalisées pour interpréter la nature des assemblages formés à la fois en solution, mais également sur des surfaces. La microscopie à force atomique a mis en évidence des espèces linéaires régulières auto-assemblées dont la formation est assistée par la surface.

Les travaux présentés dans ce manuscrit, sont basés sur l'étude de l'auto-organisation de la matière à l'échelle nanométrique. A cette échelle, les énergies de surfaces jouent un rôle prépondérant dans cette organisation. Pour comprendre au mieux ses mécanismes nous avons étudié plusieurs types de structures à base de Silicium et de Germanium. Nous avons expérimentalement étudié la croissance cristalline ou amorphe sur différents types de substrats (amorphe : SiO2 et cristallins Si ou SOI). Certain de ces substrats furent nano-structurés en utilisant un faisceau d'ions focalisés de type Gallium ou Or-Silicium. De plus nous avons pu utiliser des surfaces différentes telle que le TiO2 ou le Silicium poreux, afin d'étudier l'organisation de la matière sur des pores de petites tailles (inférieurs à 50nm).

Ce manuscrit de thèse porte sur la formation de masques de réseaux denses de nanopiliers ou nanotrous à partir de l'auto-assemblage de copolymères à blocs (CPB) à haute force de ségrégation, pour des applications dans la micro-électronique. Des copolymères à blocs, de type ABA, constitués d'un bloc central de polydiméthylsiloxane (PDMS) et de deux blocs terminaux de polylactide (PLA) ont été synthétisés par polymérisation par ouverture de cycle. Les caractérisations de deux CPB d'intérêt en masse et sous forme de film mince montrent une mesostructure hexagonale sphérique et cylindrique de PLA dans la matrice de PDMS,avec des périodes de 14,3 et 15,5 nm respectivement. Afin de contrôler l'organisation des domaines, les autoassemblages des films minces des deux CPB ont été étudiés en fonction de plusieurs facteurs : paramètres de dépôt et post-traitements (exposition à des vapeurs de solvant et recuit thermique). Dans le cas du réseau hexagonal cylindrique, le contrôle des énergies interfaciales entre le film et le substrat de silicium a été obtenu grâce au greffage d'une couche de copolymères statistique ayant des blocs chimiquement différent des blocs contenus dans le CPB. Par ailleurs, à des fins industrielles, les mesostructures doivent montrer une organisation à grande échelle (plusieurs micromètres) dépourvue de défauts. Dans cette perspective, l'auto-assemblage des CPB a aussi été étudié sur des surfaces à topographie contrôlée (graphoépitaxie) montrant un relief sinusoïdal.

Les matériaux les plus répandus dans le domaine du photovoltaïque (PV) organique à base de polymères sont le poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rr-P3HT) et le [6,6]-phenyl-C61-butyric acide methyl ester (PCBM). La couche active est une hétérojonction en volume (BHJ) de nanodomaines interpénétrés accepteur d’électron (le PCBM) et donneur d’électron (le P3HT). Le contrôle de la morphologie de la couche active et de sa stabilité est un défi majeur pour le développement des cellules organiques et est au centre de ce travail de thèse.Dans un premier temps, nous avons cherché à contrôler la morphologie du mélange P3HT:PCBM via l’utilisation de compatibilisants. Deux familles de copolymères à blocs rigide et souple ont été étudiées. Elles ont en commun leur bloc rigide à base de P3HT et diffèrent par leur bloc souple. Pourla première famille, le bloc souple poly-butylacrylate est greffé de C60, ce qui lui confère une affinité chimique avec les domaines de PCBM, et la seconde famille a un bloc souple poly(4-vinylpiridine) (P4VP) non greffé en C60. De par son affinité chimique avec le C60, le PCBM se localisera préférentiellement au voisinage des domaines P4VP.Dans un deuxième temps, nous avons exploité les propriétés d’auto-assemblages des copolymères à blocs afin de les étudier en tant que matériaux photo-actifs. Nous avons cherché à appréhender l’influence de la nature du bloc flexible let de a taille des blocs souple et rigide sur l’organisation des copolymères ainsi que sur les propriétés de transport de charge et sur les performances PV. / Polymer/fullerene bulk heterojunction (BHJ) solar cells use an interpenetrating network of TT-conjugated electron-donor polymers and electron-acceptor C60 as photo-active layer. Currently, the most investigated blends are constituted of regioregular poly(3-hexylthiophene) (rr-P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). The nanostructured active layer determines to great extend the overall performance of the devices.First of all, we introduced rod-coil block copolymers as compatibilizer into P3HT:PCBM blends and investigate their influence on the blend morphology and the related photovoltaic performance. Two P3HT-based block copolymer families have been studied. The first one has a C60-grafted polybutylacrylate coil block and the second one is based on poly(4-vinylpyridine) (P4VP) coil block. The film morphology and device efficiencies are investigated as a function of copolymer content, P3HT/PCBM mass ratio and coil nature.A second possible route to obtain a stable donor/acceptor nanostructure consists of using semiconductor block copolymers as photoactive layer, since these materials are able to self-assemble into donor/acceptor BHJ by microphase separation. We explored P3HT-P4VP rod-coil block copolymers blended with PCBM in view of their utilization in photovoltaic devices. The copolymer selfassembles into nano-domains rich in either P3HT or P4VP, while the strong chemical affinity of P4VP with PCBM leads to an accumulation of the latter in the P4VP domains, providing them an acceptorcharacter. It is found that organized and thermally stable thin films, that exhibit ambipolar field effect mobilities, can be achieved for a specific rod/coil ratio.

Ces travaux de thèse portent sur la conception par voie chimio-enzymatique de polymères amphiphiles issus de glycolipides, capables de s’auto-assembler en phase aqueuse et susceptibles de répondre à des applications de vectorisation de principes actifs. Après une étude préalable des paramètres influents lors de la synthèse enzymatique, huit monomères glycolipidiques porteurs de fonctions esters vinyliques,méthacrylate ou [alpha]-méthylstyrène ont été synthétisés à partir de dérivés d’huile de ricin et de glucose. Les monomères porteurs d’une fonction ester vinylique comme groupement polymérisable ont été copolymérisés en présence d’acétate de vinyle mais les copolymères ainsi formés n’ont pas montré de capacité à s’autoassembler. Les monomères fonctionnalisés par un groupement méthacrylate, ont été copolymérisés en présence de méthacrylate de méthyle ; trois gammes de copolymères ont ainsi été synthétisées par polymérisation radicalaire, les deux premières selon un mécanisme non contrôlé en présence d’un agent de transfert thiolé ou pas et la troisième selon la méthodologie RAFT. Dans tous les cas, des nanoparticules bien définies et stables pendant plusieurs mois ont été obtenues par auto-assemblage de ces trois gammes de copolymères en phase aqueuse. Le Rouge de Nil a été piégé au sein de ces nanoparticules puis relargué par ajout de chlorure de sodium, laissant entrevoir des applications de stabilisation et de vectorisation de principes actifs pour ces nouveaux copolymères. / The aim of this thesis was the conception of amphiphilic polymers able to self-assembly in water forpotential drug delivery applications, from glycolipidic monomers synthesized by a chemo-enzymatic pathway.After a preliminary study of the influent parameters on glycolipid synthesis via enzymatic catalysis, eightmonomers bearing either vinyl ester, methacrylate or a-methylstyrene groups have been synthesized fromglucose and castor oil derivatives. The vinyl ester-bearing monomers have been copolymerized with vinylacetate. Unfortunately, the resulting copolymers did not show interesting self-assembly properties in water.Three families of copolymers were synthesized from the methacrylate-bearing monomers and methylmethacrylate, either by free radical polymerization in the presence or not of a transfer agent or by reversibleaddition-fragmentation polymerization (RAFT). Well-defined and stablenanoparticles were obtained from allthose copolymers. Nile Red was successfully trapped into those nanoparticles and released by adding sodiumchloride, allowing perspectives as potential drug delivery applications for those new copolymers.

La synthèse et l’assemblage de particules colloïdales de morphologie et de fonctionnalité originale permet d’envisager la fabrication de matériaux aux propriétés électromagnétiques innovantes. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse de colloïdes hybrides silice/polystyrène par un processus de polymérisation en émulsion du styrène ensemencé par des germes de silice préalablement fonctionnalisés en surface par des groupements méthacrylate. Ces particules hybrides, composées d’une particule centrale de silice entourée d’un nombre contrôlé de nodules de polystyrène, ont été utilisées comme moules afin de synthétiser des nanocages d’or de morphologie contrôlée. Ces nanocages d’or ont été caractérisées structuralement et optiquement. Nous nous sommes également intéressés à l’assemblage des particules hybrides silice/polystyrène via la génération d’interactions entre les nodules de polystyrène grâce au contrôle de qualité du solvant pour le polystyrène. Les particules présentant un nodule de polystyrène s’assemblent en petits clusters alors que celles présentant deux nodules de polystyrène forment des chaînes. / The synthesis and the assembly of colloidal particles with original morphology and functionality should allow the fabrication of next-generation materials. This study deals with the synthesis of hybrid silica/polystyrene particles by an emulsion polymerization of styrenes eeded by surface functionalized silica particles. These particles, made by a silica coredecorated by a controlled number of polystyrene nodules, has been used as templates for thesynthesis of goldnanocages morphologically controlled. Theses gold nanocages has been characterized structurally and optically. We have also investigated the self-assembly of hybrid silica/polystyrene particles by generating interaction between polystyrene nodules due to the control of the solvent quality for polystyrene. Particles with one polystyrene nodule self assemble in little clusters and particle with two nodules in chains.

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Les recherches en nanotechnologies ne cessent de s’intensifier depuis plusieurs dizaines d’années du fait de leur haut potentiel dans le développement d’un large champ d’applications allant de la médecine à l’énergie de demain. Les recherches ont conduit à l’émergence de nombreuses nanoparticules aux propriétés adaptables en modifiant la composition, la taille, la forme ou encore l’état de surface. Cette modularité a permis l’apparition de nanoparticules multifonctionnelles qui ont démontré des intérêts cliniques en imagerie médicale ou pour la thérapie de certains cancers. Plus récemment, les recherches s’intéressent à l’assemblage de nanoparticules en nanostructures afin de combiner leurs propriétés au sein d’un seul assemblage. Ce manuscrit de thèse présente un nouveau procédé d’assemblage de nanoparticules inorganiques sous la forme de nanocapsules, stabilisées par un polymère et appelées Hybridosomes®. Dans une première partie, nous présentons les caractéristiques de cette nouvelle classe de nanocapsules à travers l’étude du procédé d’auto-assemblage et d’un ensemble complet de techniques de caractérisation. Nous présentons également leur évaluation en tant qu’agent de contraste pour l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM). De plus, nous proposons des perspectives de recherche utilisant les Hybridosomes® comme potentielle plateforme multifonctionnelle pour l’imagerie médicale et la thérapie. Dans une seconde partie, nous présentons l’application des Hybridosomes® dans l’auto-construction des premiers films nanostructurés par un procédé de chimie électro-click. A travers plusieurs méthodes d’analyses, nous montrons la modularité des films construits ainsi que la possibilité de relargage d’un fluorochrome initié par différents stimuli. Dans une troisième partie, nous élargissons le procédé d’auto-assemblage à une autre famille de nanoparticules: les clusters octaédriques de molybdène. Pour la première fois des nanocapsules et nanosphères ont été assemblées uniquement à partir des clusters de type A2[Mo6Li8La6]. Ces nouveaux nanomatériaux ont été caractérisés et évalués pour leurs propriétés catalytiques. / Nanotechnology research activities have been intensifying for several decades as a result of its high potential in the development of a wide range of applications ranging from medicine to future’s energy. Research has led to the emergence of many nanoparticles with tunable properties by modifiying the composition, size, shape or surface properties. This versatility has led to the emergence of multifunctional nanoparticles that have demonstrated clinical interest in medical imaging or cancer therapy. More recently, research has focused on the assembly of nanoparticles into nanostructures in order to combine their properties within the same particle. This PhD manuscript present a novel process of self-assembling of inorganic nanoparticles into nanocapsules, stabilized by a polymer and called Hybridosomes®. In a first part, we present the characteristics of this new class of nanocapsules through the study of the process of self-assembly and with a full set of characterization techniques. We also present their evaluation as contrast agent for Magnetic Resonnance Imaging (MRI). Moreover, we propose future research outlooks for Hybridosomes® as a potential multifunctional platform for medical imaging and therapy. In a second part, we present the application of Hybridosomes® in the self-construction of the first nanostructured films by an electro-click process. Through several analysis techniques we demonstrate the versatility of such constructed films and their cargo release properties triggered by different stimuli. In a third part, we enlarged the process of self-assembly to another type of nanoparticles: octahedral molybdenum clusters. For the first time, nanocapsules and nanospheres exclusively based on A2[Mo6Li8La6] clusters have been self-assembled. These new types of nanomaterials have been characterized and evaluated regarding their catalytic properties.