Le développement de la microscopie à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM), et ensuite de la microscopie à force atomique (Atomic Force Microscopy, AFM), dans les années 80 a représenté la percée la plus significative des nanosciences, sinon leur vrai point de départ. Depuis 1991, la microscopie de force AFM a été exploitée avec succès pour l'étude du monde biologique. La polyvalence de l'instrument a permis l'étude de différents objets biologiques de la protéine isolée aux tissus de cellules dans leur environnement de survie. Récemment, un intérêt croissant est né pour une transition de sondes locales micrométriques vers des sondes nanométriques pour augmenter les taux d'acquisition de données, améliorer la résolution de détection en force et ouvrir la voie à des caractérisations à très haute vitesse. Certaines de ces problématiques de vitesse ont été partiellement résolues avec l'arrivée d'un certain nombre de prototypes de microscope AFM "Ultra-Rapides", mais au détriment d'un faible nombre de pixels et d'une excursion spatiale limitée (< 1 micron) du scanner de balayage. De plus, ces techniques nécessitent l'utilisation de microleviers AFM plus petits que la dizaine de microns pour conserver une haute sensibilité de détection en force avec de hautes fréquences de fonctionnement de l'ordre du megaHertz ou plus. Ainsi, la détection optique conventionnelle par faisceau arrive aujourd'hui à ses limites pour implémenter des sondes dont les dimensions ne sont que de l'ordre de quelques longueurs d'onde. De nouvelles méthodes de détection du mouvement de la sonde AFM, ou même de nouveaux types de sondes AFM doivent donc être mis en œuvre et optimisés pour la prochaine génération d'instruments à sonde locale. Dans ce contexte, un panorama de travaux apportant des réponses à ces nouvelles problématiques de caractérisation, de manipulation, et de fabrication aux échelles micro- et nanométriques aux moyens de nouveaux instruments à sondes locales sera exposé dans ce manuscrit.

La fonctionnalisation des biomatériaux est une stratégie probante et prometteuse développée pour favoriser l'intégration de biomatériaux dans un organisme vivant. Le dépôt de films multicouches de polyélectrolytes est une méthode de fonctionnalisation de surfaces particulièrement adaptée au recouvrement d'implants. Ces surfaces modifiées pourront ainsi interagir avec leur environnement biologique. Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau revêtement, à base de composés naturels, capable de recouvrir plusieurs types de surfaces. De plus, ces revêtements originaux peuvent être utilisés pour orienter certains phénomènes cellulaires. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons mis au point un nouveau système de films multicouches à base de collagène et d'alginate. La réticulation chimique avec la génipine, un agent naturel d'origine végétale (Gardenia Jasminoide), stabilise ces constructions pour une utilisation en conditions physiologiques. Les études d'adhérence et de prolifération de cellules endothéliales humaines ont montré que ces revêtements à base de constituants naturels sont des supports adéquats en vue d'applications biomédicales. Nous avons ensuite déposé des films collagène/alginate sur des implants en titane précédemment recouvert d'un gel microporeux en poly(acide lactique). Nous avons pu montrer que les films collagène/alginate favorisent la prolifération de cellules épithéliales, ce qui permettrait une meilleure intégration des implants. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons développé une technique permettant d'obtenir des revêtements et des membranes à base de films multicouches collagène/alginate ayant des structures fibrillaires orientées. L'alignement fibrillaire s'obtient par simple étirement des substrats élastiques en poly(diméthyl siloxane) (PDMS) sur lesquels sont déposés les revêtements collagène/alginate. La déformation longitudinale du substrat induit un alignement préférentiel des fibrilles de collagène du revêtement. L'étude de l'influence du taux d'étirement sur l'alignement des fibres a montré qu'il était possible de moduler cet alignement. Enfin, nous avons observé que le comportement de différents types cellulaires (fibroblastes et astrocytes) est modifié par l'alignement fibrillaire. On note que les cellules s'alignent dans la même direction que les fibrilles de collagène. A l'évidence, l'organisation fibrillaire du revêtement conditionne la géométrie de l'étalement cellulaire. Les cellules s'allongent lorsque les fibrilles sont alignées. De plus, il apparaît que la direction des divisions cellulaires est guidée par la direction de l'alignement des fibrilles de collagène dans le revêtement étiré. Cela signifie que les cellules sont guidées par les fibrilles de collagène alignées.

Ce travail est consacré à l'étude du comportement photochimique d'un encapsulant multifonctionnel de cellules photovoltaïques organiques (CPO) dont la finalité est d'augmenter à la fois la durée de vie et le rendement de conversion des cellules. L'étude rapportée dans ce manuscrit porte sur le développement d'un revêtement permettant la conversion lumineuse du rayonnement UV solaire, ce dernier étant un facteur important de dégradation des CPO à base de P3HT et ne contribuant que faiblement à la conversion photovoltaïque. Dans un premier temps cette étude a porté sur l'élaboration d'une couche de conversion à partir d'une matrice polymère en EVA et d'une charge luminescente inorganique (SrAl2O4 : Eu2+, Dy3+). Dans un second temps, l'évolution des propriétés physiques et chimiques de cette couche de conversion sous irradiation à des longueurs d'onde supérieures à 300 nm a été étudiée. La présence des charges s'est révélée être un facteur pro-dégradant des films composites, sans pour autant que le mécanisme de dégradation du polymère ne soit affecté. L'étude des conditions de propagation de la lumière dans les films diffusants par l'application de la théorie de Mie a mis en évidence une possible augmentation du trajet optique des photons dans certains films composites. Ce phénomène pourrait contribuer à expliquer l'origine du comportement photochimique particulier des films étudiés. C'est finalement une preuve de concept qui a été recherchée pour l'utilisation d'un revêtement multifonctionnel pour l'amélioration et la conservation des propriétés de conversion d'une CPO à base de P3HT.

Le traitement des effluents aqueux issus des usines de retraitement de La Hague est un enjeu important pour l'environnement. Ces effluents sont contaminés par des substances organiques et des éléments possédant une radioactivité résiduelle. Ce travail porte donc sur le développement et l'optimisation du procédé de dépollution avec pour objectifs d'exempter l'effluent de toute pollution et de former un déchet final compatible avec les matrices de conditionnement classiques dans le milieu nucléaire. Le procédé de séparation se décompose en deux étapes : l'étape de solubilisation de la pollution dans des micelles de tensioactifs et l'étape de précipitation d'une phase minérale par transition sol-gel.Dans la cadre de la thèse, seule la pollution due aux radionucléides a été étudiée. Lors de la première étape, la stratégie a consisté à utiliser des molécules complexantes capable d'interagir avec les ions et de former des complexes préférentiellement solubles dans le cœur des micelles de tensioactifs. Par la suite, la deuxième étape a consisté à ajouter un précurseur de silice qui après hydrolyse et polycondensation permet d'agréger les micelles contenant les complexes entre elles et de former une phase silice qui précipite de façon in-situ. L'objectif de dépollution de l'effluent a été atteint et le déchet final formé est une poudre de silice contenant les micelles et la pollution qui après calcination est compatible avec les matrices de conditionnement telles que le verre ou le ciment. Différentes études ont permis de définir un système de référence pour lequel le procédé de séparation est optimal. Ce système comprend un tensioactif non-ionique (P123), un ion simulant les radionucléides (néodyme), une molécule complexante (HDEHP) et un précurseur de silice (TEOS). Ainsi, ce système a fait l'objet d'études approfondies pour élargir le champ d'action du procédé de séparation et pour comprendre les mécanismes en jeu lors de la complexation des ions et de la solubilisation micellaire, puis lors de la formation de la poudre de silice avec des techniques de diffusion, d'imagerie, de spectrométrie et d'analyses de surface.En conclusion, le procédé alternatif de dépollution développé dans cette thèse a permis d'atteindre les objectifs de dépollution et d'expliquer les différents mécanismes qui régissent chaque étape du procédé.Mots-clés : Tensioactifs, Lanthanides, Ligands organophosphorés, Procédé sol-gel, Diffusion des neutrons, wet-STEM

Cette thèse vise à maitriser la synthèse MPCVD de films hétéroépitaxiés de diamant de haute qualité cristalline sur substrat d'iridium pour la réalisation de dosimètres en radiothérapie. Cet objectif nous a conduits à élaborer la couche d'iridium épitaxiée sur des substrats SrtiO3 (001). Un bâti sous vide équipé d'un canon à électrons a donc été développé et calibré. Les couches obtenues ont été caractérisées par DRX et présentent une qualité structurale équivalente à l'état de l'art. Le procédé de nucléation (BEN) - MPCVD induit sur la surface de l'iridium des " domaines " spécifiques à la nucléation du diamant sur iridium. Un travail important a été mené sur l'optimisation du (BEN) - MPCVD de façon à obtenir un procédé fiable et reproductible pour obtenir des " domaines " homogènes sur une surface de 5x5mm2 d'Ir/SrtiO3. Des études de caractérisation de surface (MEB, XPS, AES) des " domaines " nous ont permis de dresser leur carte d'identité chimique et morphologique. Nous démontrons ainsi qu'ils contiennent des nuclei de diamant. De plus, la propagation de ces " domaines " semble suivre des directions préférentielles [110] induites par l'épitaxie de l'iridium au cours du temps durant l'étape de (BEN)-MPCVD. A partir de ces résultats, des films de diamant hétéroépitaxiés autosupportés de 100&#956-m ont été élaborés. La corrélation entre la qualité cristalline du diamant hétéroépitaxié et sa réponse en détection a été menée avec l'équipe dosimétrie du LCD. Des inhomogénéités de la structure cristalline due à la présence de défauts structuraux ont été mises en évidence. Afin d'étudier localement ces échantillons, une campagne de mesure par microfaisceau X a été réalisée sur la ligne Diffabs du Synchrotron Soleil. L'assemblage des différentes connaissances acquises lors de cette thèse a permis de fabriquer et de caractériser un premier détecteur à base de diamant hétéroépitaxié au LCD

Les nanofils d'or ultrafins sont des objets fascinants présentant une morphologie quasi 1D, leur diamètre n'excédant par 2 nm pour une longueur micrométrique. Les quelques 30 atomes qui composent la section de ses fils sont principalement des atomes de surface, permettant d'envisager des applications de type capteurs. De plus, l'anisotropie de forme unique pourrait permettre un confinement électronique unidimensionnel, menant à de nouvelles propriétés physiques. Nous avons réalisé une étude fondamentale de la synthèse et réaliser une première étude de transport sur une assemblée de nanofils.La première partie du manuscrit, divisée en quatre chapitres, consiste en l'étude du mécanisme de croissance de ces nanofils ultrafins. Suite à une analyse détaillée des modèles proposés, nous introduisons la technique de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) utilisée pour nos études mécanistiques. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de la synthèse de nanofils en milieu confiné. Contrairement aux postulats précédents, un suivi cinétique in-situ par SAXS nous a permis de montrer que la phase lamellaire n'intervenait pas dans la croissance des objets, voir même qu'elle était détrimentaire à leur formation. Le dernier chapitre présente la synthèse en milieu isotrope. Un mécanisme de croissance efficace où les sphères jouent le rôle de germe est avancé. L'auto-organisation des fils en solution suivant une phase hexagonale appuie l'hypothèse d'une stabilisation des fils par une double couche d'oleylamine et de chlorure d'ammonium. Un mécanisme de croissance analogue aux mécanismes proposés pour les bâtonnets d'or dans l'eau est donc proposé.La deuxième partie du manuscrit, divisée en trois chapitres, consiste en une caractérisation des propriétés de transport électronique dans ces nanofils d'or ultrafins. Nous dressons, dans un premier temps, un bilan des différents régimes de transport observés au sein de nano-objets de basse dimensionnalité. Suite aux étapes indispensables de dépôt et de connexion, le troisième chapitre présente les premières mesures de transport effectuées sur des assemblées de nanofils d'or faiblement couplées. Nous mettons ainsi en évidence, grâce à une étude sur une large gamme de températures et de tensions de polarisation, un transport de charge coopératif dans le cadre d'un régime de blocage de Coulomb.

Le document décrit différentes techniques expérimentales et numérique de spectroscopie vibrationnelle. Plusieurs exemples sont présentés, dans lesquels la spectroscopie vibrationnelle a eu un apport dans la compréhension d'une transition de phase ou d'une dynamique spécifique : transfert de proton dans des cristaux moléculaires, anharmonicité de verres fragiles, solidification inverse d'une solution de beta-cyclodextrine/4-methyl pyridine, dynamique des protéines.

Les colloïdes superparamagnétiques sont utilisés dans de nombreuses études pour appliquer une force sur des cellules ou des molécules d'ADN. Dans une première partie, nous explorons le processus physique par lequel ces objets acquièrent une imantation leur permettant d'exercer des forces. Nous montrons comment la présence de quelques gros grains ferromagnétiques dans les colloïdes leur permet de s'orienter dans un champ externe. La robustesse de ce modèle est démontrée par sa généralisation à plusieurs tailles de colloïdes et sa cohérence avec les propriétés du ferrofluide ayant servi à les fabriquer. Dans une seconde partie, la réaction de filaments d'actine à la pression exercée par des colloïdes superparamagnétiques est étudiée. Nous sondons ainsi le mécanisme par lequel la polymérisation d'actine peut générer les forces à l'origine du phénomène de motilité cellulaire. La maîtrise de l'organisation des filaments autorise à étudier deux situations idéales. Dans l'une les filaments sont très fluctuants, et nous montrons que leur longueur est indépendante de la force appliquée. Ceci n'est plus vrai dans la deuxième situation, où les filaments rigides poussent face à la charge. Nous mesurons ainsi pour la première fois l'effet d'une force sur la vitesse de polymérisation de l'actine. Un modèle numérique de type Brownian ratchet sans partage de la charge permet de décrire la force générée.

Most biological experiments are performed on an ensemble of cells under the assumption that all cells are identical. However, recent evidence from single cells studies reveals that this assumption is incorrect. Individual cells within the same generation may differ dramatically, and these differences have important consequences for the health and function of the entire living body. I have used Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM) for imaging and analysis of topographical change of single cell membrane, which is difficult to be revealed by optical microscopes. Morphological change in the fixed and live HeLa cell membrane during endocytosis of conjugated polymer nanoparticles was studied. Results demonstrated SICM is a powerful tool to study the interaction between nanoparticle and cell membrane during internalization of nanoparticles through the membrane. This research can improve our fundamental understanding of cellular behavior and will be helpful for drug delivery applications. Based on conventional SICM, we have developed a novel method to simultaneous map the topography and potential distributions of the single living cells membranes. At the first step, multifunctional nanopipettes (nanopore/nanoelectrode) have been fabricated and characterized. To demonstrate the potential sensing capability and understand the mechanism, I measured the ionic current and local electric potential change during translocation of 40 nm charged gold nanoparticles. Our results reveal the capability of the multifunctional probe for the highly sensitive detection of the ionic current and local electrical potential changes during the translocation of the charged entity through the nanopore. From the potential change, we revealed the dynamic assembly of GNPs before entering the nanopore. The experimental results are also nicely explained by the finite element method based numerical simulation results. At the second step, I have measured the surface potential of living cell membrane at selected locations. Very recently, I have obtained results to show that we can map the extracellular membrane potential distribution of the complicated living cell membrane with sub-micron spatial resolution.This new imaging technique can help biologist to explore the extracellular potential distribution of varieties of cells quantitatively.These studies will have impacts on several biomedical applications such as regenerative repair and cancer treatment.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:49Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:01:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09634.pdf: 20502766 bytes, checksum: d7ca137617708ba2e112264b734dcd6e (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP