Les matériaux métalliques sont utilisés dans des conditions de plus en plus sévères et doivent présenter une parfaite intégrité sur des périodes de plus en plus longues. L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer le potentiel d'un traitement de refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable de type 304L ; l'utilisation du laser dans le domaine des traitements de surface constituant un procédé en pleine évolution à cause des changements récents dans la technologie des lasers. Dans le cadre de ce travail, le choix du laser s'est porté sur un laser nano-impulsionnel à fibre dopée ytterbium dont les caractéristiques permettent la fusion quasi-instantanée sur quelques microns de la surface traitée, immédiatement suivie d'une solidification ultra-rapide avec des vitesses de refroidissement pouvant atteindre 1011 K/s. La combinaison de ces processus favorise l'élimination des défauts surfaciques, la formation de phases hors équilibre, la ségrégation d'éléments chimiques et la formation d'une nouvelle couche d'oxyde dont les propriétés sont gouvernées par les paramètres laser. Afin de les corréler avec la réactivité électrochimique de la surface, l'influence de deux paramètres laser sur les propriétés physico-chimiques de la surface a été étudiée : la puissance du laser et le taux de recouvrement des impacts laser. Pour clarifier ces relations, la résistance à la corrosion par piqûration des surfaces traitées a été déterminée par des tests électrochimiques. Pour des paramètres laser spécifiques, le potentiel de piqûration d'un acier inoxydable de type 304L augmente de plus de 500 mV traduisant ainsi une meilleure tenue à la corrosion localisée en milieu chloruré. L'interdépendance des différents phénomènes résultant du traitement laser a rendu complexe la hiérarchisation de leur effet sur la sensibilité de l'alliage testé. Cependant, il a été montré que la nature de l'oxyde thermique formé au cours de la refusion laser et ses défauts sont du premier ordre pour l'amorçage des piqûres.

Cette thèse rassemble des contributions méthodologiques aux méthodes hybrides en théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La combinaison de la DFT et de plusieurs méthodes de fonction d'onde a été réalisée par séparation linéaire de l'interaction électronique dans l'extension multidéterminantale de la méthode de Kohn-Sham. Afin d'améliorer le calcul des effets de corrélation de (quasi-)dégénérescence des systèmes moléculaires, nous avons développé les hybrides multiconfigurationnels qui combinent la DFT avec un calcul de champ autocohérent multiconfigurationnel. Le couplage de la DFT avec une théorie de perturbation Møller-Plesset du deuxième ordre (MP2) a donné la justification théorique et le développement d'approximations "double hybrides" qui ont été testées sur des systèmes moléculaires et étendus.

Ce travail présente les principes et quelques applications de la spectroscopie par génération de fréquence somme visible-infrarouge (SFG) non conventionnelle. Après avoir rappelé le cadre théorique de la SFG et son utilisation conventionnelle en tant que spectroscopie vibrationnelle aux interfaces isotropes, le manuscrit présente quelques résultats dans ce cadre en milieu électrochimique: électro-oxydation du méthanol et de l'éthanol sur platine monocristallin, rôle du CO adsorbé et de la structure de la surface de platine (orientation, ordre et défauts). Le caractère non conventionnel est ensuite décliné selon trois axes: non-isotropie de l'interface ; extension des domaines spectraux ; méthodes amplifiées. 1) L'isotropie de l'interface peut être brisée soit en orientant les molécules adsorbées, soit en brisant la symétrie miroir grâce à des molécules chirales. Une étude systématique de films fortement anisotropes d'assemblages supramoléculaires d'hélicènes bisquinones, associant spectroscopies d'absorptions infrarouge et UV-visible polarisées, permet de montrer comment séparer en SFG les contributions de l'anisotropie et de la chiralité. Les coefficients chiraux à l'origine du signal SFG deviennent prépondérants dans ces films. 2) Il est possible d'étendre les domaines spectraux utilisés en SFG de trois manières. Tout d'abord par l'utilisation de la spectroscopie par génération de la différence de fréquence (DFG), peu développée sur les montages SFG conventionnels mais qui apporte des renseignements complémentaires parfois indispensables à la SFG. Elle est utilisée en routine dans ce manuscrit. Ensuite par le couplage entre le montage SFG et le laser à électrons libres CLIO, qui permet d'étendre la gamme spectrale infrarouge vers les basses énergies tout en bénéficiant d'une grande puissance moyenne. Dans ce cadre, j'ai réalisé la première spectroscopie vibrationnelle par SFG de la liaison Pt-C sur un système Pt-CO. Enfin par le développement expérimental d'un bras visible accordable qui permet d'effectuer des mesures de SFG à deux couleurs accordables indépendamment, visible et infrarouge. Dans ce cadre, le faisceau visible peut entrer en résonance avec des transitions électroniques et l'infrarouge avec des transitions vibrationnelles, conduisant à une spectroscopie doublement résonante sondant les couplages électron-vibration. J'ai donc développé les modèles théoriques décrivant le couplage électron-vibration en SFG doublement résonante pour y inclure les effets de second ordre (distorsion et mélange de modes). 3) L'étude de matériaux produisant de petits signaux SFG (faibles quantités de matière, systèmes très symétriques, interfaces photosensibles) nécessite d'amplifier le processus optique. Outre la double résonance, il est possible d'utiliser des amplifications locales du champ électromagnétique. Des exemples ont été démontrés lors de l'excitation de plasmons de surface délocalisés ou de cavité Fabry-Pérot résonante. Cependant, la voie la plus prometteuse concerne l'exaltation du signal SFG par couplage au plasmon de surface localisé de nanostructures métalliques. Des exemples illustrent le potentiel de cette méthode en utilisant des nanoparticules d'or synthétisées par voie chimique, déposées sur un substrat plan et fonctionnalisées par une molécule sonde. Ces différentes approches non conventionnelles de la SFG sont finalement mises en perspective et des exemples de développements ultérieurs, en cours ou projetés, sont explicités.

L'anisotropie magnétique au sein de complexe de métaux de transition à donnée lieu à l'observation de phénomène d'aimantation à l'échelle moléculaire. Une étude théorique est menée afin de comprendre, de modéliser et surtout, d'amplifier ce phénomène sur différents composés mononucléaires et binucléaires. Pour ce faire, un ensemble de calculs ab initio relativistes et corrélés est utilisé puis à l'aide de la théorie des hamiltoniens effectifs, un hamiltonien modèle est établie. Ensuite, une procédure d'extraction des paramètres magnétiques permet une comparaison et une rationalisation des mesures spectroscopiques et magnétiques. Les voies d'investigations envisagées sont les complexes mononucléaires à coordination exotique, ou avec un état fondamental quasi-dégénéré, donnant lieu à un effet Jahn-Teller. Et enfin, l'étude des effets synergiques des anisotropies locales pour des complexes binucléaires sera abordée.

Nous proposons un modèle théorique original pour décrire le processus de formation et la coexistence de phase dans les mélanges ternaires de phospholipides et de cholestérol. Ce modèle combine les effets de transitions de phase liquide-gel, décrits à l'aide d'un paramètre d'ordre interne, et les effets de mélange non-idéaux inspirés des modèles de Flory pour décrire l'influence du cholestérol. Notre approche thermodynamique décrit avec un réel succès la coexistence de mélanges phospholipide binaires, tel que DOPC-DPPC. Le paramètre d'ordre inspiré de l'approche de Doniach et de l'analogie avec le modèle d'Ising sous champ magnétique modélise de façon simplifiée la thermodynamique des chaînes alkyles dans la bicouche lipidique. Nous obtenons d'une part des diagrammes ternaires ressemblant aux diagrammes expérimentaux mais aussi la dépendance en température des équilibres de phases. Nous décrivons également des diagrammes pour d'autres espèces, telles que PSM, POPC ou DiphytanoylPC. Notre approche, combinant géométrie discrète et résolution des équations analytiques pour la détermination des caractéristiques des diagrammes de Gibbs est novatrice, et s'applique à une classe étendue de modèles thermodynamiques avec paramètre d'ordre. Nous cherchons ensuite à décrire des systèmes inhomogènes à l'aide d'une généralisation de Ginzburg-Landau du modèle précédent. Une application importante consiste à déterminer la tension de ligne $\tau$ et le profil d'une interface entre macrodomaines de phase liquide ordonné et désordonné. Enfin, nous étendons la théorie du mouillage de Cahn à la description de l'environnement d'une inclusion circulaire de rayon fini $R$ dans un ''océan lipidique'', à coexistence et hors coexistence. Nous discutons pour finir les effets de la proximité du point critique et ses conséquences quant aux interactions entre impuretés induites par les effets de mouillage.

Nous présentons une étude théorique de la dynamique des excitons en solutions et films pour des molécules composées de fluorenes, complétée par des résultats expérimentaux fourni par nos collègues de l'université de St Andrews. Nous introduisons l'importance et l'intérêt d'une telle étude, et les méthodes que nous utilisons pour modéliser la photo-physique ultra-rapide (pico- et sous-picoseconde) des excitons dans ces systèmes. Nous démontrons ensuite que le transfert d'exciton en solution de molécules faites d'oligofluorenes, branchées en forme d'étoile, a pour origine la relaxation moléculaire, et à une échelle de temps plus lente, le transfert de Forster entre les bars de l'étoile. Les oligofluorenes droits ne montrent pas ce transfert ultra-rapide en solution. Enfin, nous introduisons des améliorations à la théorie standard du dipole linéaire que nous utilisons pour construire un modèle microscopique de la dynamique ultra-rapide des excitons dans les films de polyfluorenes. Nos résultats sont en très bon accord avec les expériences et permettent de gagner des connaissances détaillés des procédés de transfert d'excitons dans ces matériaux.

Fossils belonging to the genus Homo, dating as far back as two million years ago, exhibit uniquely efficient features suggesting that early humans had evolved to become exceptional endurance runners. Although they did not have the cushion or stability-control features provided in our modern day running shoes, our early human ancestors experienced far less of the running-related injuries we experience today. The injury rate has been estimated as high as 90% annually for Americans training for a marathon and as high as 79% annually for all American endurance runners. There is an injury epidemic in conventionally shod populations that does not exist in the habitually unshod or minimally shod populations around the world. This has led many to conclude that the recent advent of highly technological shoes might be the problem. Although current literature has been inconclusive, there are two main limitations in virtually all of the studies: 1) transition phases of less than three months and 2) transition phases without rehabilitation exercises. These two aspects are key to the treatment of the structural consequences on the muscles and tendons of the foot and calf that habitually shod individuals have faced. This study includes a discussion of the cumulative consequences that lifelong shoe usage has on the development of the feet and lower legs. I propose a 78-week study that addresses the limitations of past studies by implementing a gradual, 32-week, multi-shoe transition complemented by an evidence-based rehabilitation program. I believe that this approach will restore strength and elasticity to muscles and tendons that have been inhibited by lifelong usage of overconstructed shoes and adequately prepare runners for the increased demand brought on by a­­­­­ changing running mechanic. This comprehensive, multifaceted transition plan to a fully minimalist shoe will provide novel insight into the ongoing barefoot debate. Can this approach finally demonstrate the proposed benefits of losing the shoes?

Binary mixtures of polymers and soft nanocolloids, also called as polymer nanocomposites are well known and studied for their enormous potentials on various technological fronts. In this thesis blends of polystyrene grafted gold nanoparticles (PGNPs) and polystyrene (PS) are studied experimentally, both in bulk and in thin films. This thesis comprises three parts; 1) evolution of microscopic dynamics in the bulk(chapter-3),2) dispersion behavior of PGNPs in thin and ultra thin polymer matrices (chapter-4) 3) effect of dispersion on the glass transition behavior (chapter-5). In first part, the state of art technique, x-ray photon correlation spectroscopy is used to study the temperature and wave vector dependent microscopic dy¬namics of PGNPs and PGNP-PS mixtures. Structural similarities between PGNPs and star polymers (SPs) are shown using small angle x-ray scatter¬ing and scaling relations. We find unexpected (when compared with SPs) non-monotonic dependence of the structural relaxation time of the nanoparticles with functionality (number of arms attached to the surface). Role of core-core attractions in PGNPs is shown and discussed to be the cause of anomalous behavior in dynamics. In PGNP-PS mixtures, we find evidence of melting of the dynamically arrested state of the PGNPs with addition of PS followed by a reentrant slowing down of the dynamics with further increase in polymer frac¬tion, depending on the size ratio(δ)of PS and PGNPs. For higher δ the reen¬trant behavior is not observed with polymer densities explored here. Possible explanation of the observed dynamics in terms of the presence of double-glass phase is provided. The correlation between structure and reentrant vitrifica¬tion in both pristine PGNPs and blends are derived rather qualitatively. In the second part, the focus is shifted to miscibility between PGNPs and polymers under confinement i.e., in thin films. This chapter provide a compre¬hensive study on the different parameters affecting dispersion viz., annealing conditions, fraction of the added particles, polymer-particle interface and more importantly the thickness of the films. Changes in the dispersion behavior with annealing is shown and the need for annealing the films at temperatures higher than the glass transition temperature of the matrix polymers is clearly elucidated. Irrespective of the thickness of the films( 20 and 65 nm) studied, immiscible particle-polymer blends unequivocally prove the presence of gradi¬ent in dynamics along the depth of the films. To our knowledge for the first time, we report results on confinement induced enhancement in the dispersion of the nanoparticles in thin polymer films. The enhanced dispersion is argued to be facilitated by the increased free volume in the polymer due to confinement as shown by others. Based on these results we have proposed a phase diagram for dispersibility of the nanoparticles in polymer films. The phase diagram for ultra thin films highlights an important point: In ultra thin films the particles are dispersed even with grafting molecular weight less than matrix molecular weight. In the third part, we have studied the glass transition of the thin films whose structure has been studied earlier in the earlier part. Non-monotonic variation in glass transition with the fraction of particles in thin films has increased our belief on the gradient in the dynamics of thin polymer films. En¬hanced dispersion with confinement is captured with the enhanced deviation in glass transition temperature of ultra thin films. Effect of miscibility param¬eter on Tgis studied and the results are explained with the subtle interplay of polymer-particle interface and confinement.

Biomolecular interactions, including protein-protein, protein-DNA, and protein-ligand interactions, are of special importance in all biological systems. These interactions may occer during the loading of biomolecules to interfaces, the translocation of biomolecules through transmembrane protein pores, and the movement of biomolecules in a crowded intracellular environment. The molecular interaction of a protein with its binding partners is crucial in fundamental biological processes such as electron transfer, intracellular signal transmission and regulation, neuroprotective mechanisms, and regulation of DNA topology. In this dissertation, a customized surface plasmon resonance (SPR) has been optimized and new theoretical and label free experimental methods with related analytical calculations have been developed for the analysis of biomolecular interactions. Human neuroglobin (hNgb) and cytochrome c from equine heart (Cyt c) proteins have been used to optimize the customized SPR instrument. The obtained Kd value (~13 µM), from SPR results, for Cyt c-hNgb molecular interactions is in general agreement with a previously published result. The SPR results also confirmed no significant impact of the internal disulfide bridge between Cys 46 and Cys 55 on hNgb binding to Cyt c. Using SPR, E. coli topoisomerase I enzyme turnover during plasmid DNA relaxation was found to be enhanced in the presence of Mg2+. In addition, a new theoretical approach of analyzing biphasic SPR data has been introduced based on analytical solutions of the biphasic rate equations. In order to develop a new label free method to quantitatively study protein-protein interactions, quartz nanopipettes were chemically modified. The derived Kd (~20 µM) value for the Cyt c-hNgb complex formations matched very well with SPR measurements (Kd ~16 µM). The finite element numerical simulation results were similar to the nanopipette experimental results. These results demonstrate that nanopipettes can potentially be used as a new class of a label-free analytical method to quantitatively characterize protein-protein interactions in attoliter sensing volumes, based on a charge sensing mechanism. Moreover, the molecule-based selective nature of hydrophobic and nanometer sized carbon nanotube (CNT) pores was observed. This result might be helpful to understand the selective nature of cellular transport through transmembrane protein pores.

In this thesis, we investigate biological molecules on a micron scale in the ultraviolet spectral region through the non-destructive confocal absorption microscopy. The setup involves a combination of confocal microscope with a UV light excitation beam to measure the optical absorption spectra with spatial resolution of 1.4 μm in the lateral and 3.6 μm in the axial direction. Confocal absorption microscopy has the benefits of requiring no labels and only low light intensity for excitation while providing a strong signal from the contrast generated by the attenuation of propagating light due to absorption. This enables spatially resolved measurements of single live cells and bio-molecules with less than 10^9 molecules in the probe volume. Employing a multichannel detection system, the absorption spectrum of hemoglobin in a single red blood cell is measured on the timescale of seconds. We also extend the spectral range from the visible range to the experimentally more challenging ultra-violet region where characteristic absorption bands of bio-molecules are observed. Exploiting the ultra-violet range, amino acids, nucleic acids solutions, and plant cells are investigated. We measure the spatially resolved absorption spectra at the nucleus of an onion cell and cytoplasm to probe DNA base-pair absorption. Small variations in our micro-absorption data are seen around 260 nm, possibly due to the abundance of DNA in the nucleus. This thesis contributes to the goal of spectroscopic identification of spatial heterogeneities at the single cell level and the label-free detection of proteins and nucleic acids.