Ce travail porte sur le développement d’une technique de calorimétrie sans contact pour des écoulements diphasiques. Ces derniers sont réalisés sur la forme d’un train gouttes dans des tubes de taille millimétriques dans des supports isopériboliques. L’idée principale est de coupler la Thermographie Infrarouge et les outils microfluidiques pour proposer une technique adapté de mesure. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions réalisées au sein des gouttes, l’outil Infrarouge permet de suivre ces écoulements avec grande précision. Les résultats de ces travaux de thèse montrent que l’outil est capable d’estimer des propriétés thermo-physiques des écoulements non réactifs. Ainsi, que de caractériser de réactions chimiques en termes d’enthalpie et cinétique. Finalement cette dernière caractérisation a été comparée aux techniques classiques pour mettre en évidence la précision et les avantages de l’outil développé / This work concerns the development of a non-contact calorimeter for two-phase flow characterization. The biphasic flow is performed under a droplet configuration inside millimetric tubings which are inserted into the isoperibolic chip. The main idea is to combine the Infrared Thermography and microfluidic tools to propose a suitable technique for accurate measurements. Microfluidics enables the use of small reaction volumes thus limiting any risk of dangerous reactions inside droplets, the Infrared tool enables to monitor the thermal signature of these flows with high accuracy. The results of this thesis show that this tool is able to estimate the thermophysical properties of non-reactive flows. Also , it is possible to characterize chemical reactions in terms of enthalpy and kinetics . Finally the latter characterization was compared to conventional techniques to demonstrate the benefits and the precision of the tool.

Ce travail de thèse démontre l’importance d’intégrer des outils théoriques à des observations expérimentales dans le but d’étudier le rôle des interactions non-covalentes et plus précisément de la dispersion dans la chimie des métaux de transition. Plusieurs thèmes ont ainsi été abordés comme les interactions d’empilement entre chélates de métaux de transition à l’état solide; l’influence de la chiralité sur l’oligomérisation en solution de complexes plans carrés de Rh(I) isonitrile; la stabilité et inactivité inhabituelles de complexes de type cis-platine en solution concentrée. Les résultats obtenus par titration calorimétrique isotherme ont permis d’évaluer la capacité de méthodes théoriques à reproduire avec précision les résultats expérimentaux. Les calculs ont démontré qu’un traitement théorique approprié des effets de la dispersion et de la solvatation, donne des valeurs cohérentes avec les résultats expérimentaux. Cependant, des améliorations supplémentaires sont nécessaires. / This thesis has shown the importance of integration of theoretical calculations and experimental investigations in studying the role of non-covalent interactions and particularly dispersion interactions in transition metal chemistry. Several subjects were addressed, such as stacking interactions of chelates in transition metal complexes in solid state, influence of chirality on the oligomerization of Rh(I) isonitrile complexes in solution and the stability of the cis-platin type complexes in concentrated solutions. Isothermal titration calorimetry proved to be very useful in the studies by providing accurate experimental data on the thermochemistry of addressed processes. This data was used to gauge the ability of the theoretical methods to accurately reproduce the experimental results. Calculations have shown that the proper treatment of dispersion effects and solvation by theoretical models gives values in relatively good agreement with experiments, but further improvements are needed.

Des études antérieures ont mis en évidence que le transfert de solutés neutres à travers des membranes est influencé par la présence d'ions en solution. Ainsi, la connaissance des interactions multiples à l'échelle nanométrique, entre le polymère, l'eau et les solutés (ions, espèces organiques) constituent un verrou pour l'amélioration des performances des procédés membranaires. Dans cette étude une approche multi-échelle fondamentale est proposée, combinant des outils théoriques et expérimentaux, afin d'obtenir les paramètres microscopiques et macroscopiques caractérisant les interactions étudiées pour différentes compositions ioniques. Plus précisément, il s'agit de comprendre comment les ions affectent le transfert d'un soluté organique. Dans un premier temps, certaines propriétés caractérisant l'hydratation des ions sont calculées et comparées aux flux de diffusions de sucres à travers des membranes de Nanofiltration et échangeuses d'ions obtenus pour différentes compositions ioniques. Dans un deuxième temps, des systèmes constitués d'une membrane échangeuse de cations (CMX) équilibrée avec différents cations ainsi que le glucose hydraté sont modélisés en utilisant une approche combinée Mécanique Quantique/ Mécanique Moléculaire. Cette approche a permis d'étudier la solubilité du sucre dans la matrice polymère ainsi que les interactions polymère-polymère comme l'énergie de cohésion. Enfin, l'influence des ions sur les caractéristiques physiques de la membrane CMX est étudiée en utilisant diverses méthodes expérimentales comme la détermination des angles de contacts et des spectres IR ou la mesure de la température de solidification par DSC. Les propriétés vibrationnelles sont également calculées dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L'ensemble de ces données sont comparées avec les grandeurs de transport afin de valider les mécanismes moléculaires proposés. Ce travail montre que la nature des contre-ions de la membrane modifie l'énergie de cohésion entre les fragments de la membrane. Ainsi, l'énergie de cohésion influe sur la diffusion des composés organiques neutres à travers les membranes. / Previous works have shown that the transfer of neutral solutes through membranes is influenced by the presence of ions in solution. In the framework of process intensification, the knowledge of the molecular mechanisms involved is of fundamental importance to increase and predict the process performances. The aim of this Thesis is to use a combined quantum/molecular computational approach and experimental methodologies to better understand how ions can affect the solute flux. In the first part of the work, some properties of ions in solution are computed and compared with sugar fluxes through membranes for nanofiltration and electrodialysis. In the following, systems composed of Cation-exchange membrane equilibrated by different counter-ion and hydrated glucose are examined by Quantum Mechanics/Molecular Mechanics. This is done mainly to investigate the sugar solubility in the polymer matrix and diffusion related interactions like polymer chain-chain cohesion energy. In the last part, contact angle, differential scanning calorimetry and Infra-Red spectra are measured to characterize the physical properties of the membrane and possible influence of the counter-ion on cation exchange membrane. This work shows that the nature of the counter-ions modifies the cohesion energy between the membrane polymer fragments. In its turn, the cohesion energy affects the diffusion of neutral organic compounds through the membranes.

L’acier inoxydable martensitique durci par précipitation 15-5PH est utilisé dans le domaine del’aéronautique comme matériau constitutif des pièces liant les réacteurs aux ailes, il est ainsi soumisen utilisation à des températures de l’ordre de 300°C, ce qui entraine sa fragilisation. Cettefragilisation des aciers inoxydables dans ce domaine de températures est causée par la démixtion dufer et du chrome, principaux constituants de la matrice, par décomposition spinodale. De plus, lamicrostructure complexe du 15-5PH contient également des précipités de cuivre assurant ledurcissement initial de l’alliage, de l’austénite de réversion, connue dans ce type d’aciers pourapporter un regain de ductilité, apparaissant lors du traitement de précipitation du cuivre et de laphase G apparaissant au cours du vieillissement. L’évolution de ces phases pourrait égalemententrainer une modification des propriétés mécaniques de l’alliage. Pour observer les différentesévolutions de la microstructure nous avons utilisé une combinaison de techniques apportant desinformations complémentaires afin d’en obtenir une caractérisation la plus complète possible. Nousavons ainsi pu montrer que les modifications de propriétés sont causées par la décompositionspinodale de la matrice. L’évolution de ses caractéristiques microstructurales a pu être décrite pardes lois phénoménologiques, fonctions de la durée et de la température de vieillissement. Nousavons également pu fournir une méthode permettant la mesure indirecte de l’avancée duvieillissement du 15-5PH, validée par les observations microstructurales, ainsi qu’un modèlephénoménologique permettant de prévoir la dureté de l’alliage.Mots clés : acier martensitique, décomposition spinodale, vieillissement, diffusion aux petits angles,sonde atomique tomographique, calorimétrie différentielle à balayage. / The precipitation hardened martensitic stainless steel grade 15-5PH is used in the airplane industryas constitutive material of parts joining reactors to wings. Due to its application it is subjected totemperatures around 300°C leading to its embrittlement. Stainless steels embrittlement in thistemperature range is due to iron-chromium unmixing by spinodal decomposition. In addition, the 15-5PH grade has a complex microstructure comprising copper precipitates responsible for the initialhardening of the alloy, reversed austenite, known in this kind of steels to improve the toughness,which appears during the precipitation thermal treatment and G phase that precipitates duringaging. The evolutions of these microstructure components could also lead to some modifications ofthe material mechanical properties. In order to study the microstructure evolutions we use acombination of characterization techniques aiming at their most complete description. We show thatthe mechanical properties evolution is controlled by the spinodal decomposition of the matrix whoseevolution we are able to depict by simple phenomenological laws. We propose an indirect methodfor the measurement of aging kinetics of the 15-5PH steel, which we have correlated to directmeasurements, and a phenomenological law allowing the prediction of the alloy hardness based onits thermal history.

Les travaux réalisés durant cette thèse rentrent dans cette problématique. Ils concernent d’une part le développement d’un schéma de calculs et d’évaluation des échauffements nucléaires générés dans le réacteur MARIA en utilisant les codes français de transport neutronique TRIPOLI-4 © et APOLLO-2. Les travaux dans ce volet ont concerné principalement les calculs des échauffements photoniques induits par les rayonnements gammas essentiellement. D’autre part des travaux expérimentaux ont été conduits durant cette thèse. Ils ont concerné la mesure des échauffements nucléaires dans des emplacements spécifiques du réacteur MARIA. Cela a permis une première validation des schémas de calcul adoptés. Des comparaisons C/E ont été effectuées. Elles sont présentées et discutées dans cette thèse. Cela a permis d’émettre des recommandations quant aux techniques de mesure des échauffements nucléaires dans le réacteur MARIA et les moyens de modélisation qui peuvent être associés. Les comparaisons calculs-expérience font l’objet du cinquième. Les écarts relevés entre les résultats des modélisations et les mesures des échauffements nucléaires pour différentes configurations de mesures (au moyen de GT et de calorimètre mono cellule KAROLINA) permettent de dégager grâce à ces premiers travaux de thèse des recommandations pertinentes pour les travaux futurs. / This thesis work presents a calculation scheme which enables evaluation of heat generation from nuclear reactions in the MARIA nuclear reactor by use French computational codes TRIPOLI-4 © (TRIPOLI-4 is a registered trademark of CEA) and Apollo-2. Particular attention was devoted to the heat induced by gamma radiation. The thesis also presents measurements of nuclear heating in selected locations inside MARIA MTR reactor. This allows reaching first steps of validation and qualification of computer calculations. Research and analysis presented in the thesis allow one to compare the results obtained by using proposed calculation scheme with the experimental measurement methods. Finally, further works and perspectives were proposed on the development of the calculations and experimental measurements of nuclear heating in nuclear reactors.Qualifying the calculations was possible by performing especially dedicated 7-day core measurement campaigns. Nuclear heating measurements were performed with gamma thermometers and specially designed KAROLINA calorimeter. All measurement devices used were mounted in a dedicated probe, designed and built for this purpose, which allowed for the adjustment of instruments position inside the MARIA core. The main scientific hypothesis of this work is that currently available Monte Carlo simulations of neutron and gamma transport can be used to correct and accurate calculations of prompt nuclear heating in nuclear reactor, whereas delayed component of nuclear heating can be determined experimentally. For this purpose new calculation scheme and improvements in nuclear heating measurements were implemented.

La synthèse de composés énergétiques fortement azotés, à partir des réactifs et des processusissus de la chimie des hydrazines, a permis une nouvelle approche de composés de type HEDM(High Energy Density Materials) pour la propulsion spatiale. En effet, la formation de diazote(N−−−N) à partir d’une liaison N−−N libère de grandes quantités d’énergie, et davantage depuis uneliaison N−N. L’amination de la diméthylhydrazine dissymétrique (UDMH) a conduit à un sel de2,2-diméthyltriazanium, possédant trois atomes d’azote reliés uniquement par des liaisons sigma.L’anion inorganique de départ a ensuite été échangé avec des anions énergétiques à plus haut tauxd’azote — 5-aminotétrazolate, 5-nitrotétrazolate, 5,5’-azobistétrazolate, azoture, nitroformiate etdinitroamidure. Pour des raisons de sécurité, l’échange d’ions impliquant l’anion azoture a étéréalisé par électrodialyse et la sensibilité à l’impact ainsi qu’à la friction de ces sels a été évaluéeselon les normes en vigueur. L’analyse des composés les plus riches en azote par calorimétrie decombustion a permis de déterminer leurs enthalpies de formation de manière fiable. Ces dernièresont ensuite été modélisées par des méthodes de chimie quantique et comparées aux procéduresreportées dans la littérature, dont les aspects théoriques ont été discutés. La procédure conduisantaux enthalpies de formation en meilleure adéquation avec les valeurs expérimentales a étéidentifiée ; sa précision excède d’ailleurs celle de résultats récents d’équipes reconnues. Ainsi, lesmoyens mis en place dans le cadre de cette thèse permettront de progresser plus efficacementdans cette nouvelle thématique au laboratoire. / High nitrogen content energetic compounds, envisioned as a first step towards High EnergyDensity Materials (HEDM) for space propulsion, were prepared from hydrazine derivatives. Indeed,the formation of nitrogen gas (N−−−N) from an N−−N bond yields a lot of energy and even morefrom an N−N bond. Hence, an amination reaction on unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH)yielded a 2,2-dimethyltriazanium salt, containing three consecutive single-bonded nitrogen atoms.The initial inorganic anion was then exchanged with the following nitrogen-rich anions in order toyield energetic salts: 5-aminotetrazolate, 5-nitrotetrazolate, 5,5’-azobistetrazolate, azide, nitroformateand dinitramide. For safety reasons, the ion metathesis of the azide salt was conductedby electrodialysis and the sensitivities of all compounds towards both impact and friction wereevaluated in accordance with standard procedures. Reliable heats of formation of the compoundswith the highest nitrogen content were obtained by oxygen bomb calorimetry. These values werethen computed with quantum mechanical methods and compared with known procedures reportedin the literature, whose theoretical backgrounds have been discussed. Consequently, theprocedure resulting in the best match between calculated and experimental heats of formation wasidentified. The precision of the method used herein exceeds that of recent results from renownedresearch groups in this field. Thus, the various techniques introduced during the course of thiswork will enable our laboratory to progress more efficiently in this area of research.

Le développement d’un procédé de polymérisation en émulsion est complexe de par la nature hétérogène de ce type de réaction. En outre, dans le cas de la polymérisation en émulsion du fluorure de vinylidène, la difficulté est d’autant plus accrue que le monomère est habituellement en phase gazeuse ou supercritique dans les conditions d’intérêt. Or la littérature manque d’informations concernant ce type de procédé de synthèse du PVDF sous une pression comprise entre 30 bar et 90 bar.Ainsi cette thèse a pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes cinétiques et de stabilisation intervenants dans la polymérisation radicalaire en émulsion du VDF dans des conditions supercritiques et, plus particulièrement, de fournir des données expérimentales nécessaires à l’élaboration de futurs modèles.Avant même d’entreprendre les études expérimentales, cette thèse s’intéresse d’abord aux aspects d’installation et d’automatisation de l’unité de polymérisation ainsi qu’au démarrage et à l’optimisation du réacteur. Ensuite, plusieurs tests sont réalisés afin de comprendre certaines caractéristiques du latex produit ainsi que certaines propriétés du tensioactif fluoré. Une nouvelle méthode a spécialement été développée afin de suivre le phénomène de coagulation des particules de polymère.Finalement des réactions sont réalisées par lot et en semi-continu et une étude paramétrique des conditions opératoires et de la composition des réactifs est effectuée afin d’évaluer leur impact sur l’évolution de la polymérisation en émulsion. Notamment, le profil de vitesse de polymérisation est obtenu par calorimétrie, à partir d’une approche pratique fondée sur un estimateur d’état en cascade, ainsi que sur la mesure de la consommation de monomère, et sur l’analyse gravimétrique réalisée par prélèvement / The heterogeneous nature of the conventional emulsion polymerization can render the process quite complex. In the case of the emulsion polymerisation of vinylidene fluoride (VDF), the situation is more complicated than for the majority of industrial processes because the monomer is typically either a gas or a supercritical fluid under the polymerization conditions of interest. Given the relatively high pressure required for this process (30bar <P< 90bar), there is a lack of information in the open literature about the VDF emulsion polymerization process.In this sense, this thesis is a contribution to the understanding of the kinetic and stabilization mechanisms that intervene in the free radical emulsion polymerization of vinylidene fluoride (VDF) under supercritical conditions, and more particularly, to the generation of relevant experimental data that can be used for future model developments.Prior to the experimental studies of VDF emulsion polymerization, issues that ranged from the installation and automation of the polymerization unit to the start-up and optimization of the reactor were covered. Later, different tests were performed in order to understand some important features of the produced latex as well as some properties of the fluorinated surfactant. Additionally, a new method to monitor the coagulation phenomena on polymer particles was developed.Finally, reactions were performed using batch and semi-batch mode. The impact of certain compositional changes and reaction conditions on the evolution of the emulsion polymerization was studied. A practical approach was implemented to follow the rate of polymerization using reaction calorimetry. Simultaneous estimations of the evolution of overall heat transfer coefficient and heat of reaction were determined using a high-gain nonlinear cascade state estimator

Les méthodes d’amélioration des procédures de cryoconservation sont traditionnellement basées sur l’empirisme. Pour s’en démarquer, nous sommes repartis des modèles biophysiques développés pour décrire les procédures en s’appuyant sur 2 méthodes. La 1ère méthode a consisté au développement de techniques de simulation des procédures en caractérisant l’utilisation du Snomax dans l’appareil DSC. Nous avons montré que le contrôle de la température de nucléation (Tn) est possible en choisissant les conditions expérimentales (volume d’échantillon et concentration en Snomax) qui influencent les probabilités de présence de 3 sous-populations d’INA des protéines de P. syringae. La possibilité d’effectuer des simulations a pu être validée pour certaines plages de surfusion dans les solutions de cryoconservation. Ceci a permis la caractérisation des effets physiques influencés par Tn et qui interviennent au cours des procédures et d’alimenter les modèles biophysiques de cryoconservation. La 2ème méthode a consisté à la modification de la composition des solutions afin de réduire le recours au DMSO (cytotoxique) en utilisant des composés de type oligosaccharides : les COS. Après vérification de la biocompatibilité des COS avec des cellules embryonnaires, la caractérisation de l’influence thermodynamique des COS a été effectuée. Il a été montré que les COS sont des cryostabilisateurs qui se lient à une petite quantité de molécule d’eau et n’en affecte pas les propriétés physicochimiques. Les COS peuvent donc être introduits dans le milieu extracellulaire sans risque d’accélérer la déshydratation cellulaire. De plus, il a été montré qu’ils favorisent la gélification du milieu extracellulaire, laquelle est fonction de la proportion massique d’eau en solution résiduelle. Cette gélification fige une partie du système ce qui favorise sa stabilisation au passage des zones de températures à risques de recristallisation / We wished to move aside classical cryopreservation procedure improvements that are based on empiricism and to focus on existing biophysical models in order to describe procedures. We based our study on two methods. The first method consisted in developing the methods for the simulations of procedures, by characterizing the use of Snomax in a DSC device. This study highlighted that the nucleation temperature (Tn) control is possible under precise experimental conditions (sample volume and Snomax concentration) that influence the presence probability of 3 INA subpopulations of the P. syringae protein aggregates. The possibility to simulate the cryopreservation procedures has been achieved for some supercooling ranges within complex cryopreservation solutions. Consequently, it has been possible to characterize the physical effects influenced by Tn and involved within procedures. These results will participate in supplying cryopreservation biophysical models. The second method aimed to modify the composition of cryopreservative solutions in order to reduce the DMSO use (because of its cytotoxicity), using extracellular CPA components: the chitooligosaccharides COS. Subsequent to the biocompatibility verification of the COS with embryonic cells, the thermodynamic influence of the COS has been characterized. Therefore, it has been demonstrated that COS are cryostabilizers that link themselves to a small number of water molecules and does not influence its physicochemical properties. Consequently, COS can be added within the extracellular space without any risk to accelerate the cell dehydration. It has been demonstrated that COS favor the gelation of the extracellular space and that this gelation relies on the mass proportion of water in the residual solution. This gelation immobilizes a part of the system and therefore favor its stabilization when the temperature reaches the risky recrystallization range

Ce travail de thèse a été consacré au développement de nouvelles méthodologies de caractérisation des affinités intermoléculaires par le biais de la calorimétrie de titration isotherme (ITC), après validation de systèmes modèles par l'intermédiaire des spectroscopies UV-visible, RMN et de l'électrophorèse capillaire. Nous avons en particulier montré que la mise en place et le couplage d'expériences non conventionnelles avec les protocoles classiques permettait d'améliorer la caractérisation calorimétrique, avec notamment une diminution parfois spectaculaire des incertitudes liées aux paramètres thermodynamiques. Ce potentiel de l'analyse globale d'expériences différenciées a été évalué sur un plan théorique, permettant ainsi la définition et l'optimisation des expériences à mettre en oeuvre en fonction du type de complexe étudié. L'exploitation expérimentale de ces stratégies a également permis l'étude de complexations problématiques sur le plan analytique, dans le cadre de complexes impliquant des molécules telles que les cyclodextrines ou l'albumine, et s'inscrivant dans des applications liés aux domaines de l'environnement et de la santé. Ainsi, nos stratégies ont levé les difficultés liées aux complexes athermiques, aux complexes de faibles affinités, aux équilibres multiples et aux faibles solubilités de l'un ou l'autre des partenaires de la complexation. Enfin, l'évaluation d'un nouveau modèle de traitement thermo-cinétique du thermogramme ITC a été réalisée, accroissant encore le potentiel de cette technique vis-à-vis de la caractérisation des interactions moléculaires. / This work was dedicated to the development of new isothermal titration calorimetry (ITC) methodologies for the characterization of intramolecula affinities, after validation of model system via capillary electrophoresis, UV-visible and NMR spectroscopy. We have demonstrated that the coupling of unconventional experiments with the conventional protocols generally improves the calorimetric characterization, with a dramatic decrease of the uncertainties on thermodynamic parameters. The potential of global analysis applied to differentiated experiments was evaluated on a theoretical level, allowing the definition of optimal experiments, depending on the type of studied complex. These strategies also enabled, on a experimental point of view, the study of complexations which cannot be analyzed by conventional approaches, in the case of complexes involving cyclodextrins or albumin. Indeed, our strategies overcomes the difficulties associated with athermic complexes, with complexes of low affinity, with multiple equilibria and with the low solubility of interacting partners. Finally, the evaluation of a new thermo-kinetic treatment of ITC thermograms has been achieved, further increasing the potential of this technique in the characterization of molecular interactions.

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