La structure moléculaire d'un cristal liquide cholestérique (CLC) est hélicoïdale et donne lieu à des propriétés optiques remarquables comme la réflexion sélective de la lumière. La structure cholestérique soulève des questions fondamentales comme la relation entre chiralités moléculaire et mésoscopique, et son impact sur les propriétés optiques. Elle est omniprésente en biologie (organisation de la chitine, de la cellulose, du collagène ou de la chromatine). Elle est aussi utilisée en technologie : en cosmétologie, dans les afficheurs nématiques super-torsadés, les écrans réflecteurs, les capteurs de température ou pression, les matériaux pour les applications photoniques en général. Le but du présent travail est de décrire et comprendre l'interaction de la lumière avec différents types de structures hélicoïdales non-monotones élaborées dans cette thèse - films cholestériques synthétiques (monocomposant ou hybrides i.e. dopés en nanoparticules d'or) - ou dans un matériau biologique (carapace du scarabée Chrysina gloriosa). Différentes techniques de caractérisation optique ont été utilisées suivant le matériau à étudier et les questions posées. La partie principale du manuscrit est dédiée aux microlentilles et micro-miroirs cholestériques. Nous avons étudié la texture polygonale cholestérique et mis en évidence qu'elle se comporte comme un réseau de microlentilles chirales à l'aide de la microscopie confocale couplée à la spectrophotométrie. Ces microlentilles organiques, élaborées en deux étapes par auto-assemblage, ont la particularité d'être sélectives en longueur d'onde. Nous avons ensuite montré que la texture polygonale de la carapace de Chrysina gloriosa, analogue biologique, est un réseau de micro-miroirs sphériques et de microlentilles convergentes. La seconde partie du manuscrit est consacrée à l'élaboration de matériaux hybrides CLC et nanoparticules d'or et à l'étude de leurs propriétés optiques. Les propriétés optiques de ces nanocomposites ont été sondées à l'aide de différentes techniques (résonance plasmon, spectrométrie Raman etc). / The molecular structure of a cholesteric liquid crystal (CLC) is helical and gives rise to outstanding optical properties like the selective reflection of the light. Cholesteric structure raises fundamental questions such as the relationship between molecular chirality and mesoscopic chirality, and its impact on optical properties. It is omnipresent in biology (organisation of chitin, cellulose, collagen or chromatin). It is also used in technology: cosmetology, super-twisted nematic displays, reflective screens, temperature or pressure sensors, materials for photonic applications in general. The purpose of this work is to describe and understand the interaction of light with different types of non-monotonous helical structures elaborated in this thesis - synthetic cholesteric films (single-component or hybrid i.e. doped with gold nanoparticles) - or in a biological material (Chrysina gloriosa beetle). Several optical characterisation techniques have been used, depending on the sample to study and the questions which are rised. The main part of the manuscript is dedicated to cholesteric microlenses and micro-mirrors. We studied the cholesteric polygonal texture and highlighted that it acts as a chiral microlens array by using confocal microscopy coupled to spectrophotometry. These organic microlenses, developed in a two-step process by self-assembly, have the specificity of being wavelength-selective. We then showed that the polygonal texture of Chrysina gloriosa, as a biological analogous, is an array of spherical micro-mirrors and convergent microlenses. The second part of the manuscript is devoted to the elaboration of hybrid materials composed of CLC and gold nanoparticules and the study of their optical properties. Optical properties of these nanocomposites were probed using various techniques (plasmon resonance, Raman spectroscopy etc).

Les cristaux liquides ont été tout le long un terrain fertile pour la recherche scientifique, des mathématiques à la science des matériaux, à l'optique. Leur utilisation ne se limite pas seulement à l'optique d'afficheurs mais s'étend à l'optique non linéaire, par exemple, à la commutation et au routage de faisceaux optiques. En raison de leur extrême sensibilité aux champs électriques, et ce sur une plage de fréquences allant du continu aux fréquences optiques, ils sont aussi utilises comme milieu non linéaires aptes à générer des faisceaux optiques auto-confinés, appelés solitons spatiaux optiques, à de très faibles puissances. Ces faisceaux ont la propriété de se propager sans diffraction, du fait que cette dernière est compensée par l’auto-focalisation non linéaire du milieu, avec formation de guides d'onde auto-induites. Dans les cristaux liquides nématiques, ces guides d'ondes peuvent à leur tours confiner et guider d’autres signaux optiques et peuvent être reconfigurés, soit optiquement, soit électriquement, du fait que la trajectoire des solitons peut être contrôlée par d'autres champs, ouvrant ainsi la voie à la manipulation tout-optique. Récemment, les cristaux liquides nématiques ont été également utilisés avec succès dans l'optique dite singulière, dans laquelle le paramètre clef est la singularité topologique portée par la phase de l'onde électromagnétique. Dans cette thèse, je rendrai compte de mon travail sur les solitons optiques spatiaux et les singularités optiques dans les cristaux liquides nématiques. / Liquid crystals have been all along a fertile background for scientific research, from mathematics to material science and optics; their use is not limited to displays but extends to nonlinear optics, for instance, to switching and routing of optical beams. Due to their extreme sensitivity to electric fields, and this at frequencies ranging from continuous to optical ones, they are also nonlinear media supporting the generation and propagation of self confined beams, called spatial optical solitons, at very low powers. Spatial optical solitons have the property to propagate without diffraction, since this is compensated by nonlinear self-focusing in the medium, resulting in self-induced waveguides. In nematic liquid crystals, these waveguides can in turn confine and route other optical signals and can be reconfigured, either optically or electrically, as soliton trajectories can be controlled by other fields, paving the way to all-optical manipulation. Nematic liquid crystals have also been recently employed with success in the so-called singular optics, in which the key parameter is the topologic singularity carried by the phase of an electromagnetic wave. In this thesis I will report on my work on spatial optical solitons and optical singularities in nematic liquid crystals.

L’optimisation de cellules solaires organiques repose sur l’amélioration de différents paramètres électroniques et structuraux. En particulier, les processus de séparation et de transport de charge doivent être optimisés pour obtenir des rendements élevés. Les processus de séparation de charge dans ces dispositifs s’effectuent aux interfaces donneur/accepteur suite à un décalage entre les niveaux électroniques de ces deux matériaux. Suivant leur nature, des interactions aux interfaces peuvent conduire à l’apparition d’un dipôle pouvant favoriser ou défavoriser la génération de charges libres ; toutefois, l’origine de ce dipôle d’interface est très mal connue. Ainsi, la première partie de cette thèse s’est attaché à une meilleure compréhension de l’origine de ce dipôle en appliquant une approche théorique multi-échelle sur un système D/A typique : l’interface pentacène/C60. L’amélioration des cellules solaires organiques repose également sur l’augmentation des longueurs de diffusion d’exciton et de la mobilité des porteurs de charge dans les couches actives. Ainsi, l’extension de l’ordre structural au sein d’une hétérojonction constituée de deux cristaux liquides colonnaires électroniquement complémentaires pourrait aider à améliorer ces paramètres. En deuxième partie, nous avons donc analysé l’impact du désordre structural présent au sein d’un auto-assemblage monodimensionnel de perylène diimide sur les paramètres électroniques gouvernant le transport de charge en couplant des calculs de dynamique moléculaire à des calculs de chimie quantique. Les mobilités des porteurs de charge ont été estimées en simulant des mesures de mobilité en temps de vol calculées dans le cadre du formalisme de Marcus puis comparées à l’expérience. Des résultats préliminaires issus de simulations de dynamique moléculaire sur une hétérojonction entre deux cristaux liquides électroniquement complémentaire récemment synthétisés ont été reportés en dernière partie. / The development of efficient organic solar cells relies on the optimization of different correlated electronic and structural parameters. In particular, efficient charge separation and charge transport processes are essential to get high conversion yields. The charge separation processes in these devices occur at the donor/acceptor interfaces due to the energetic mismatch between the electronic structures of the two materials. Depending on the nature of these materials, interfacial interactions may lead to the appearance of a significant dipole that can help or disadvantage the generation of free charges. However, the origin of this interface dipole is still unclear. Thus, the first part of this thesis presents a multiscale theoretical approach to address the origin of the interface dipole at a prototypical D/A interface: the pentacene/C60 interface. Improving of the conversion efficiency of organic solar cells also relies on the increase of both the exciton diffusion length and of the charge carrier mobilities. For this purpose, a possible route is to expand the structural order inside the heterojunction via the self-organization of two electronically complementary columnar liquid crystals. This point is investigated in the second part of this thesis. First, we address the impact of the structural disorder on the electronic parameters mediating the charge transport properties in a one-dimensional self-assembly of perylene diimides by coupling molecular dynamics simulations to quantum-chemical calculations. The charge carrier mobilities are evaluated by means of time-of-flight numerical simulations in the framework of the Marcus formalism and compared to the experience. Then, we present preliminary results issued from atomistic molecular dynamics simulations on the heterojunction between two recently synthesized electronically complementary discotic liquid crystals.

Application a un cristal liquide nématique dans lequel la déformation du directeur est induite soit par un écoulement de poiseuille plan du cristal liquide, soit par application d'un champ électrique. Détermination de l'énergie d'ancrage du nématique en contact avec son support.

Nous avons développé un véritable instrument de mesure et de caractérisation en temps réel des réseaux dynamiques photoinduits dans des matériaux holographiques. La technique des réseaux mobiles utilisée ne suppose pas connue la nature du reseau. Elle caracterise les modulations d'indice et d'absorption, a savoir leurs amplitudes et leurs dephasages par rapport au système de franges d'inscription. Il suffit de translater le reseau pendant un temps tres bref perpendiculairement aux franges, et de détecter les variations d'intensité des faisceaux qui les forment. Nous avons évalué les capacités et les limitations de ce dispositif qui fournit, pour la premiere fois, la cinetique de l'ensemble des paramétrés des reseaux. Nous l'avons adapte aux différents types de materiaux étudiés. Dans des matériaux photorefractifs organiques, le déphasage du réseau d'indice mesure indique bien un effet non local, dont les manifestations sont compatibles avec l'effet photorefractif qui serait cree par orientation des chromophores sur la direction du champ total. Nous avons aussi décelé un petit réseau d'absorption en quadrature avec le réseau d'indice majoritaire. Dans les sol-gels mous sik-dr1, nous avons sépare le réseau de surface du réseau de photoisomerisation, et mesure directement pour la premiere fois le déphasage de des réseaux de surface. Mettant un terme a un débat résultant d'expériences indirectes et controversées, cette valeur est en accord avec les modeles de photomigration. Nous avons montre que la variation temporelle quasi linéaire du déphasage des réseaux, observée avec des matériaux sol-gels et des cristaux liquides, est un artefact experimental qui affecte l'analyse de tous les matériaux lents : ce sont les franges d'inscription qui bougent par rapport au réseau photoinduit. Cette derive des franges est a l'origine des phénomènes de transfert d'énergie décrits dans certains de ces matériaux lents.

De nouveaux glycopolymères greffés aux paramètres macromoléculaires contrôlés [dextrane-g-poly(acrylate de diéthylène glycol cholestéryle), Dex-g-PADEGChol] ont été préparés en quatre étapes via la stratégie de synthèse « grafting from». L'originalité de ces glycopolymères réside dans la combinaison, et pour la première fois, d'une dorsale polysaccharide hydrophile biocompatible/ biodégradable et de greffons polymères hydrophobes à caractère mésogène. L'ATRP a été utilisée pour contrôler la croissance des greffons PADEGChol en milieu homogène à partir d'un macroamorceur dérivé de dextrane (DexAcBr). Les conditions de polymérisation avaient été préalablement ajustées en étudiant l'homopolymérisation du monomère ADEGChol en présence d'un amorceur modèle et de plusieurs systèmes catalytiques CuIBr/(PMDETA ou OPMI) dans différents solvants (THF ou toluène). Le caractère amphiphile de ces glycopolymères a été évalué et leurs propriétés mésomorphes ont été étudiées par calorimétrie différentielle à balayage, microscopie optique à lumière polarisante et par diffraction des rayons X. Des études préliminaires par microscope électronique à transmission et diffusion dynamique de la lumière polarisée ont démontré que ces glycopolymères adoptent une morphologie vésiculaire appelée « polymersome » en phase aqueuse, lorsque le DMSO est utilisé comme co-solvant. Ces nano-objets pourront être testés ultérieurement pour la formulation d'un nouveau type de vecteurs de principes actifs / New graft glycopolymers with well-defined parameters [dextran-g-poly(diethylene glycol cholesteryl ether acrylate) (Dex-g-PADEGChol)] have been prepared in four steps using the "grafting from" strategy. Challenge of this work arises from the combination for the first time of a hydrophilic, biocompatible/biodegradable polysaccharide backbone with mesogen hydrophobic polymeric grafts. Controlled growth of the grafts (PADEGChol) was obtained using ATRP initiated in homogeneous medium from a dextran derivative (DexAcBr). In order to find the best polymerization conditions, homopolymerization of ADEGChol monomer was investigated using an initiator model and various catalytic systems CuIBr/(PMDETA or OPMI) in two solvents (Toluene and THF). The amphiphilic properties of such glycopolymers were evaluated and their mesomorphic properties have been studied by thermal polarizing optical microscopy, differential scanning calorimetry and X-ray scattering. Using transmission electron microscopy and dynamic light scattering, vesicular morphology called "polymersome" was observed in aqueous medium when DMSO was used as co-solvent. These polymersomes could be tested as new drug delivery systems