Dans ce travail de thèse nous nous intéressons aux propriétés interfaciales du CO2 en conditions de réservoir avec une attention particulière pour le stockage du CO2 dans des aquifères salins profonds. Chaque partie de cette thèse représente une échelle physique différente et même si elles ont été réalisées avec des dispositifs expérimentaux et des outils de modélisation très différents, elles sont très fortement liées. Les résultats obtenus la première partie de cette thèse constituent un jeu de données complet de tension interfaciale saumure-CO2 et représentatif de la gamme de pression, température et salinité des opérations de stockage actuellement en cours d'injection. Une équation semi analytique basée sur ces résultats est proposée avec le but de faciliter le travail des ingénieurs réservoir. La deuxième partie aborde l'étude de ces propriétés à l'échelle du pore en utilisant un micromodèle en verre transparent (milieu poreux 2D) pour différentes conditions de mouillabilité. Cette partie montre le comportement mouillant du CO2 sur des surface hydrophobes ou mouillables à l'huile. Un modèle de type réseau a été utilisé pour l'interprétation et l'exploitation de ces résultats. Le troisième volet correspond à deux phases expérimentales sur carotte pour des mouillabilités différentes, associées à une modélisation à l'échelle de Darcy. Cette partie de notre étude constitue le coeur de la validation du simulateur compositionnel de réservoirs COORES, développé par l'IFP. Elle nous a permis également de déterminer des propriétés polyphasiques, telles que les Pc et kr, pour des systèmes saumure-CO2. L'ensemble de cette thèse présente les trois échelles nécessaires pour modéliser du stockage du CO2 dans des aquifères salins profonds

Le travail présenté dans ce manuscript tire son origine de la descente d'échelle présente en passant de l'assemblage conventionnel vers le micro-assemblage. On se rendra rapidement compte que ce changement d'échelle nécessitera la maîtrise en profondeur de nombreux phénomènes physiques gouvernant les petites échelles, dont notamment les effets de la tension de surface et l'adhésion, concepts le plus souvent inconnus des ingénieurs mécaniciens. Ce document se décline en trois parties principales, visant à étudier les effets de la tension de surface dans les Microsystèmes. La première partie positionne nos contributions par rapport à l'état de l'art, présentant principalement l'étude des forces de capillarité (forces axiales et radiales, études statiques et dynamiques, aux échelles allant du millimètre au nanomètre). La deuxième partie du travail décrit le développement de bancs d'essai qui ont servi à valider notre travail théorique : cela consiste essentiellement en la mise au point de dispositifs de mesure de forces, du nanonewton au newton. La troisième partier assemble les cas d'études qui ont été traits: assemblage de produits horlogers, préhenseurs, dispositifs d'alimentation, assemblage hybride, mécanique des sols, électrosprays... Le but était de développer des modèles utiles aux communautés de la mécanique de précision et de la microrobotique. Nous espérons ainsi avoir proposé des modèles de forces de capillarité qui pourront être appliqués à de nombreux domaines applicatifs : assemblage et packaging, microrobotique, mécanique des sols, microfluidique...

Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d'étude au coeur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s'agit de nanoparticules, de cellules ou encore d'objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l'étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l'intégration des objets d'intérêt à l'échelle de l'objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l'assemblage d'objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d'une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d'Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d'ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l'analyse médicale et de la détection.

L'électrochromatographie capillaire (ECC) est une méthode séparative très prometteuse. En effet, elle combine l'efficacité due au profil plat du flux électroosmotique (ECZ) et la sélectivité due aux interactions avec une phase stationnaire (CPL). Les phases stationnaires monolithiques ont été développées comme alternative aux phases particulaires de par leur facilité de synthèse in situ. C'est pourquoi ces nouvelles phases stationnaires peuvent être facilement intégrées dans des microsystèmes analytiques. Cependant un des inconvénients majeurs lié aux techniques miniaturisées est leur faible sensibilité lors d'analyses de traces. Ces difficultés peuvent être circonvenues en réalisant une étape appropriée de préconcentration des composés d'intérêt avant l'étape d'analyse proprement dite. Une telle stratégie serait particulièrement pertinente pour des échantillons environnementaux et d'intérêts biologiques. Dans un premier temps nous avons étudié l'optimisation de la synthèse in situ de phases stationnaires monolithiques à base d'acrylates. Des facteurs tels que la dose énergétique appliquée ainsi que le prétraitement du capillaire ont été étudiés afin de déterminer dans quelle mesure ceux-ci peuvent influer sur les performances structurales et séparatives de ces colonnes. Dans un deuxième temps, les résultats obtenus en ECC avec des colonnes monolithiques testées en tant que matériau de préconcentration et de séparation sont présentés. Ces études ont été menées avec des composés modèles environnementaux. De très bonne efficacité (250 000 à 350 000 plateaux par mètre) et des facteurs de préconcentration supérieurs à 10 000 ont été obtenus, avec succès. Enfin le couplage en ligne d'une étape de préconcentration avant la séparation dans des microsystèmes comportant une phase stationnaire monolithique a été réalisé, des hydrocarbures polyaromatiques ont ainsi été analysés.

Dans le cadre de la détection de nouveaux allergènes alimentaires, un microsystème pour la séparation bidimensionnelle de protéines par électrophorèse a été développé, ces deux dimensions étant la focalisation isoélectrique (IEF) et l'électrophorèse de zone (EZ). Ces deux modes de séparation ont été étudiées au format capillaire avant d'utiliser les résultats obtenus en microsystèmes. La séparation de protéines par IEF a d'abord été réalisée. Nous avons montré que l'utilisation d'électrolytes constitués d'ampholytes d'intervalles étroits de pH (NC) permettait d'augmenter la résolution puis réalisé la séparation de protéines du lait en microsystèmes. Des microsystèmes en verre et en PDMS et plusieurs traitements de surface ont été comparés en utilisant une méthode de mesure de flux électroosmotique développée pour cela. Nous avons ensuite étudié la séparation de protéines par EZ en microsystèmes. Des NC ont de nouveau été utilisés, pour leur faible conductivité. Nous avons montré qu'ils permettaient de diminuer fortement l'adsorption des protéines puis nous avons réalisé la séparation de ces dernières en quelques secondes après avoir optimisé leur dérivation avec un marqueur fluorescent. Enfin, différents schémas de microsystèmes ont été envisagés pour coupler les deux dimensions de séparation.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre des recherches sur les nouvelles sources de rayonnement dans le domaine de l'extrême ultraviolet et des rayons X mous (longueur d'onde entre 1 et 100 nm). La possibilité d'obtenir, au moyen d'une décharge électrique, une amplification laser à 46,9 nm dans l'argon ionisé huit fois a été démontrée pour la première fois aux Etats-Unis en 1994, mais difficilement reproduite depuis par d'autres équipes. Ayant estimé les besoins en terme d'énergie et de puissance pour obtenir cette inversion de population dans l'argon, nous avons mis au point un système innovant de puissance pulsée répondant à ces critères. Des diagnostics électriques et optiques ont été spécialement conçus pour cette expérience. Par ailleurs, une modélisation électrique a permis de mieux appréhender le comportement électrique et énergétique du système. Les résultats préliminaires de spectroscopie X-UV, s'ils ne montrent pas d'amplification de la raie d'argon à 46,9 nm, mettent en évidence que le degré d'ionisation de l'argon est proche de celui requis pour l'amplification. Des études ultérieures sur le système que nous avons construit pourraient déboucher sur une source compacte de rayonnement X-UV cohérent.

L'interaction d'une impulsion laser intense et de courte durée avec un plasma permet de produire une onde de plasma de grande amplitude dans son sillage, auquel est associé un champ électrique longitudinal. Celui-ci peut être utilisé pour accélérer des électrons relativistes injectés dans l'onde jusqu'à de grandes énergies - de l'ordre du GeV - sur de courtes distances - quelques centimètres - au regard des distances dans les accélérateurs conventionnels. Le contrôle des caractéristiques du faisceau d'électrons lors du processus d'accélération est fondamental pour réaliser un étage d'accélération laser-plasma utilisable. Le travail de thèse a porté sur la création et la caractérisation d'une onde de plasma en régime faiblement non linéaire sur une longueur de plusieurs centimètres. Des tubes capillaires sont utilisés pour guider le faisceau laser sur ces distances tout en maintenant une intensité susante (~ 1E17 W/cm²). Le faisceau laser guidé ionise le gaz contenu dans le tube et crée l'onde de plasma. Un diagnostic optique reposant sur la modification du spectre de l'impulsion laser a été utilisé pour déterminer l'amplitude de l'onde de plasma le long du tube. Sa dépendance en fonction de la pression de remplissage du gaz, de la longueur du capillaire et de l'énergie laser, a été étudiée. Les résultats expérimentaux comparés aux résultats analytiques et de modélisation sont en excellent accord, et montrent que le champ électrique associé à l'onde de plasma est compris entre 1 et 10 GV/m sur une longueur allant jusqu'à 8 cm. Ce travail a permis de montrer la possibilité de créer de façon contrôlée une onde de plasma en régime faiblement non linéaire.

La compréhension des mécanismes de transport et du comportement des radionucléides dans la biogéosphère sont nécessaires à l'évaluation des risques sanitaires et environnementaux de l'industrie nucléaire. Ces mécanismes sont contrôlés par la spéciation des radioéléments, c'est-à-dire leur répartition entre leurs différentes formes physico-chimiques dans l'environnement. Dans cette optique, cette thèse traite de la spéciation de l'uranium en milieu naturel. La biogéochimie de l'uranium a fait l'objet d'une synthèse bibliographique détaillée, qui a permis de restreindre le sujet à la complexation de l'uranium par l'acide oxalique, un acide organique hydrophile fréquemment rencontré dans les sols et doté de bonnes propriétés de complexation. L'établissement de diagrammes de spéciation à partir des constantes de complexation de la littérature a permis de définir les conditions analytiques de formation des complexes. Le choix de la technique analytique s'est porté sur le couplage d'une technique séparative (chromatographie liquide LC ou électrophorèse capillaire EC) à la spectrométrie de masse (ICPMS). La présence des complexes étudiés dans les échantillons synthétiques a été vérifiée par spectrophotométrie UV/visible. Les analyses menées par LC-ICPMS ont prouvé la labilité des complexes uranyle-acides organiques, c'est-à-dire leur propension à se dissocier pendant l'analyse, ce qui empêche une détermination fiable de la spéciation de l'uranium. En revanche, l'étude des complexes labiles d'un système métal-ligand par ECICPMS a été rendue possible par l'emploi de la méthode d'affinité, permettant de déterminer les constantes de complexations et les mobilités électrophorétiques. Cette thèse a permis de comparer les différentes méthodes de traitement mathématique de l'isotherme de complexation et de prendre en compte la force ionique et la concentration réelle du ligand. La méthode d'affinité a été employée avec succès sur les systèmes lanthane-oxalate, pris comme modèle, et uranyle-oxalate. Les résultats obtenus ont été validés sur un système naturel (site du Bouchet). Ceci montre l'apport de la méthode mise au point dans la modélisation de la spéciation de l'uranium.

Trois micro-systèmes ont été développés pour la détection des polluants dans l'environnement. Un système microfluidique basé sur l'extraction en phase solide et sur une détection fluorimétrique a été mis en point pour la détermination de traces de Pb2 + dans l'eau potable. Le mécanisme et la cinétique chimique de la complexation entre le senseur et le plomb ont été étudiés en détail. Un autre dispositif pour la détection des ions de métaux lourds est un capteur optofluidique basé sur une microcavité laser. Une grande attention est portée sur la recherche de matériaux efficaces pour élaborer la microcavité. Les copolymères biblocks ont été choisis dans notre étude. Le troisième dispositif est l'électrophorèse capillaire miniaturisée avec une détection électrochimique pour l'analyse des perturbateurs endocriniens (PE) dans les eaux usées. Tous ces dispositifs ont de bonnes performances et ils sont à la base de futures appareils miniaturisés pour l'analyse sur le terrain.

Dans ce travail nous avons étudié deux phénomènes : l’instabilité autophobique d’un film de polymère sur un polymère réticulé et la cinétique de la formation de l’interface entre deux films minces de polymère. Dans le cas d’une interface instable nous avons étudié le démouillage autophobique d’un film de polystyrène linéaire déposé sur un réseau de même nature chimique. Dans ce type de démouillage, l’instabilité est gouvernée par l’entropie de l’interface. Les techniques qui ont été utilisées pour caractériser ce phénomène sont la microscopie optique et l’AFM afin de déduire la vitesse de démouillage, l’angle de contact et la longueur de glissement en temps réel, et la réflectométrie des neutrons pour corréler ces propriétés à la structure de l’interface. Les réseaux de polystyrène sont synthétisés à partir de copolymères statistiques à base de styrène fonctionnalisé azoture. L’utilisation des azotures pour la réticulation conduit d’une manière propre à la formation d’un réseau homogène et peu rugueux. Un ralentissement de la dynamique du démouillage a été montré pour les plus faibles épaisseurs de films de polystyrène linéaire. Nous avons observé que l’angle de contact du polystyrène linéaire sur le réseau augmente avec le temps alors que la longueur de glissement diminue. Les phénomènes mis en jeu pour ces variations d’angle de contact et de longueur de glissement sont reliés à la structure de l’interface. Il a été mesuré que pendant le démouillage il y a une pénétration des chaînes de polystyrène dans le réseau plus importante avec de plus faible densité de réticulation. Cette pénétration a pour effet d’étirer les mailles du réseau et ainsi de diminuer l’entropie de la surface, ce qui favorise le mouillage en augmentant l’angle de contact. En même temps, les chaînes qui ont partiellement pénétrer vont jouer le rôle de connecteur entre le film et le réseau en créant des points d’enchevêtrement avec les chaînes du film, ce qui ralentit la cinétique du démouillage. Le démouillage pour les systèmes avec la densité de réticulation la plus faible (taux d’azoture 17%), a un comportement de type semi-idéal pour la vitesse de démouillage ("v∝" "t" ^"-1/3" ). Le gonflement d’un réseau plus dense (taux d’azoture de 62%) est moins efficace : la saturation complète est impossible, même pour les temps longs. Nous avons également étudié la cinétique de la formation d’une interface entre deux films de polymère dans le cas stable. Le polymère utilisé est la polyoléfine, c’est un copolymère statistique d’éthylène et de butène. Le ratio entre les deux monomères dans les films va modifier le degré d’immiscibilité du système. L’épaisseur de l’interface est liée à une partie intrinsèque qui se forme rapidement, et une autre aux ondes capillaires. Nous avons pu observer leurs croissances pour un système proche du point critique d’immiscibilité, et ainsi remonté aux propriétés viscoélastiques du système.