Le traitement par laser femtoseconde dans des matériaux transparents est prometteur du fait de la possibilité de contrôler le dépôt d'énergie dans le temps et dans l'espace. Il ouvre ainsi des possibilités fantastiques pour la fabrication de nouveaux matériaux composites multifonctionnels en manipulant la taille, la forme et l'orientation des cristaux non linéaires dans les verres. Cette thèse contribue principalement à la maîtrise de la nano ou micro cristallisation dans des verres à base de silice pour le développement de nouveaux matériaux électro-optiques multi-fonctionnels par l'irradiation au laser femtoseconde. On démontre la faisabilité du traitement des matériaux par le laser femtoseconde pour remodeler les propriétés optiques linéaires et non linéaires ou de la fabrication de micro / nano agrégats, ainsi que les formes et les orientations (en particulier agrégats asymétriques), les tailles et les distributions (à l'échelle sub-micrométrique). Le mémoire débute par un chapitre introductif sur l'investigation de l'écriture par laser impulsionnel ultra-bref dans la silice pure, ainsi que dans le verre à base de silice, afin de bien maîtriser l'inscription avec ce nouveau type de laser. Nous discutons les effets des paramètres du laser sur l'écriture, telle que la vitesse de déplacement du faisceau et la polarisation du laser, sur les propriétés optiques et les structures atomiques, par exemple, la biréfringence, les champs de contraintes et le changement d'arrangement atomique. Il est mis en évidence des effets orientationnels et directionnels spécifiques de l'interaction de ce type de laser avec les verres. Le mécanisme associé fait probablement intervenir l'inclinaison du front de la phase du champ de l'impulsion par rapport au déplacement du faisceau dans le solide. La précipitation des cristaux LiNbO3 orientés dans le verre avec l'irradiation laser femtoseconde est réalisée dans le cas d'une fréquence de répétition élevée (typ. 300 kHz) permettant l'accumulation de chaleur. Des cristaux orientés avec leur axe polaire aligné dans la direction d'inscription du laser ont été fabriqués en manipulant le gradient de température par le réglage des paramètres du laser. L'imagerie microscopique de génération de seconde harmonique (GSH) montre le caractère cristallin asymétrique et fournit des informations sur les orientations dominantes favorisées lors des processus de cristallisation. Les résultats de diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) fournissent des informations détaillées sur l'orientation des cristaux et révèlent la structure des lignes écrites notamment tailles et dispersion des orientations. En outre, des débuts de modélisation ont été réalisés pour se diriger vers une maîtrise de l'écriture de structures linéaires cristallines. Une autre section du mémoire rapporte l'étude de reformation par l'irradiation avec le laser femtoseconde de nanoparticules d'or quasi-sphériques ou quasi-tige dans le verre à base de silice. Les nanoparticules d'or de la taille de 3-4 nm ont été précipitées par traitement thermique. Après l'irradiation par le laser, des mesures optiques d'absorption, de biréfringence et de dichroïsme ont été effectuées pour étudier la modification de la forme de nanoparticules d'or dans le verre. Les simulations théoriques ont été menées pour interpréter les résultats expérimentaux basés sur la théorie de Gans et le modèle de Drude avec les constantes diélectriques connus de l'or. Enfin, des stratégies de conception efficaces sont aussi suggérées pour le futur pour des applications possibles utilisant la précipitation, la forme et l'orientation des micro/nanoparticules en 3D.

Le caractère unitaire des ophiolites résulte de processus inéluctables à tout magmatisme qui engendre résidu, cumulat et liquide. Une comparaison des ceintures ophiolitiques entre elles a permis de souligner d'importantes discontinuités pétrologiques, structurales et stratigraphiques liées à des systèmes géotectoniques différents mais aussi à des variations longitudinales le long de la ceinture considérée. La classification pétrologique des ophiolites en deux types proposée précédemment a été affinée tandis que la quantification des fractionnements (majeurs et traces) à partir des exemples Corse et Vourinos a permis de juger de sa validité. En particulier dans les ophiolites de type Il (Vourinos) on retiendra que les liquides observés ont pu subir 40 % d'extraction réalisée principalement dans des chambres magmatiques sous-crustales. La composition des magmas qui évolue avec le temps -diminution des incompatibles et augmentation de la sursaturation en silice- est en accord avec un appauvrissement progressif du manteau. Dans les ophiolites à affinité de ride médioocéanique, (type 1), le manteau est renouvelé lors de l'accrétion à partir des hétérogénéités pétrologiques et structurales observées dans un massif de péridotites de Corse, l'importance des processus de fusion, fractionnement et métasomatisme dans un diapir mantellaire mis en place dans une zone d' accrétion a pu être appréciée et la chronologie des mécanismes précisée. Les ophiolites de type Il ont servi de base à une classification structurale des ophiolites en deux groupes dont la structure interne pourrait être liée aux conditions d'ouverture. En particulier, dans les ophiolites à structures verticalisées qui sont souvent plus pauvres en éléments incompatibles que celles à variations lithologiques et structurales sub-horizontales, la morphologie des chambres a été estimée à partir de l'étude d'un massif en Iran. Dans toutes les ophiolites examinées, la durée de l'accrétion est brève dépassant rarement 40 Ma même pour celles qui montrent le plus d' affinité géochimique avec les échantillons océaniques. Ces différents aspects, de même que la nature des formations géologiques associées, ont conduit à substituer au jeu distension-collision frontale, des coulissements induits par la dérive des plaques majeures. Ces derniers sont responsables de la succession d'ouverture et fermeture plus ou moins obliques par rapport aux ceintures bordant les continents. Si certaines ophiolites correspondent à des tentatives d'océanisation, d'autres sont intégrées dans le développement d' un orogène. Dans ce cas, les ophiolites apparaissent après la formation de bassins à marges passives devenant quelquefois actives avant d'être ensemble rapldement tectonisées.

Les opérations industrielles de cristallisation adoptent en général une démarche phénoménologique qui consiste à choisir en fonction de la qualité recherchée du produit les valeurs des paramètres d'action sans réellement maîtriser, à l'échelle élémentaire, l'ensemble des processus à l'origine de la cristallogénèse Une des conséquences de cette démarche est un surcoût de production qu'une maîtrise ou du moins une meilleure connaissance des mécanismes de la cristallisation pourrait partiellement éviter. A l'échelle du laboratoire, l'étude fondamentale de la précipitation doit nécessairement concerner un système simple où l'ensemble des caractéristiques des phases liquide et solide peuvent être aisément déterminées. Celui-ci doit, d'autre part, permettre l'étude des processus concourant à la formation de la phase solide. Les travaux exposés ont pour but de déterminer l'influence de certains paramètres d'action et/ou d'effectuer une modélisation numérique, cinétique ou thermodynamique des étapes unitaires de la cristallisation. Celles-ci sont présentées à travers ce mémoire indépendamment les uns des autres ce qui permet au lecteur de se référer à un processus déterminé sans avoir acquis la connaissance des autres parties de cette thèse.

L'étude du comportement mécanique des verres métalliques, matériaux dépourvus d'ordre à longue distance, est un sujet actif. L'intérêt pour ces matériaux a été renouvelé par la mise au point d'alliages amorphisables à faible vitesse critique de trempe permettant d'obtenir des échantillons massifs et donc d'envisager des applications structurales. Les mécanismes de déformation d'un verre métallique base Zr ont été étudiés que ce soit à température ambiante, où le comportement semble fragile macroscopiquement, ou à des températures supérieures à la transition vitreuse, où une grande capacité de déformation est atteinte. Des techniques de caractérisation originales alliant des essais de compression à des essais de nanoindentation (à température ambiante) ou à des essais de spectromécanique (à haute température) ont été utilisées et validées. Un modèle de déformation multiatomique a ainsi pu être proposé pour rendre compte du comportement à haute température. Ces matériaux permettent également de fabriquer, au travers d'une cristallisation partielle, des nanocomposites amorphe / cristal. La cristallisation a été finement caractérisée et deux nouvelles méthodes de mesure de la fraction volumique de nanocristaux ont été validées. L'influence de ces nanocristaux a été étudiée dans les deux gammes de températures caractéristiques et pour les différents modes de sollicitation mécanique révélant une influence relative sur le comportement à température ambiante et une influence marqué sur les mécanissmes visqueux.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences physiques : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 457. Textes et résumé en français. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. en fin de chapitre.

Le travail vise à développer un procédé de dessalement de l'eau de mer par congélation sur parois froides. L'étude thermodynamique a permis de quantifier l'effet de la composition et de la salinité de l'eau sur la température de congélation et la température de précipitation de Na2SO4,10 H2O. Les résultats sont bien décrits par le code de calcul de Frezchem, dérivé du modèle de Pitzer. Les essais de dessalement par congélation ont été conduits avec des solutions eau/NaCl de différentes concentrations, ainsi qu'avec de l'eau de mer de Rabat, Nice et Marseille. Le montage expérimental mis au point se compose d'un doigt de gant plongé dans une cuve double enveloppée contenant l'eau à traiter. Le procédé complet de dessalement est conduit en deux étapes: l'étape de congélation produisant un dépôt de glace sur le doigt de gant et l'étape de ressuage, effectuée après vidange de la saumure, qui consiste à purifier en profondeur la glace en opérant une fusion des zones impures. Une caméra filme la couche de glace et fournit la cinétique de croissance de la couche. La congélation a été effectuée dans une solution stagnante ou dans une solution agitée par injection d'air. Elle est conduite en appliquant deux rampes de refroidissement, respectivement dans le doigt de gant et dans la double enveloppe, qui peuvent être ou non identiques. Les essais ont montré la nécessité d'ensemencer la couche de glace sur le tube et d'ajuster finement la température initiale de la rampe de refroidissement. L'étude systématique de l'influence des paramètres opératoires a mis en évidence les rôles importants de la rampe de refroidissement et de la salinité de la solution sur la pureté de la glace produite. En l'absence d'agitation, la température de la double enveloppe a également un effet notoire sur la pureté de la glace à cause des gradients de température, et par suite, des courants de convection qu'elle peut engendrer au sein de la solution. En régime agité, la solution semble être à chaque instant en équilibre avec la glace. Une même salinité finale de la glace peut être obtenue avec des rampes de refroidissement beaucoup plus rapides qu'en statique. Quelles que soient les performances de la congélation, le ressuage est ensuite indispensable pour atteindre la norme de potabilité. La recherche de conditions opératoires optimales a permis de réduire la durée du procédé global à 8h (5h de cristallisation et 3h de ressuage). Les résultats de ce travail montrent la faisabilité de la technique et donnent une bonne idée des conditions de fonctionnement qui peuvent être employées pour produire l'eau potable

Le poly(1,3-dioxolanne) (PDOL) est un polymère semi-cristallin présentant à l’état solide quatre morphologies différentes (Phases I, IIa, IIb et III). Les transformations d'une phase à l'autre ont été suivies par microscopie optique polarisée (MOP) et microscopie à force atomique (AFM) en fonction de la température de cristallisation et de la masse molaire. La Phase I présente une morphologie sphérolitique tandis que la Phase IIa peut croître à partir de la Phase I ou spontanément. De façon inattendue, la Phase IIa, devient très biréfringente et cette nouvelle morphologie est appelée Phase IIb. Quand la transformation IIa-IIb est terminée, une nouvelle phase, la Phase III, croît à partir de la Phase IIb. La Phase III n'a jamais été observée sans la présence de Phase IIb; en outre, la Phase IIb remplace toujours la Phase IIa. Ce phénomène est appelé germination croisée. La mesure de la température de fusion des phases par MOP a permis d’établir leur stabilité relative: IIb > III >IIa. La vitesse de croissance (G) des sphérolites a été mesurée sur une plage de températures de 10,0 à 24,0 °C et montre une grande dépendance avec la masse molaire. Ces mesures ont révélé l’existence d’une masse molaire critique, autour de 5000 g.mol-1, en-dessous de laquelle nous avons observé GIIa > GIII et au-dessus de laquelle la relation est inversée avec GIII > GIIa. Finalement, nous avons exploré l’influence de l’ajout d’un deuxième polymère amorphe sur l’évolution des phases optiques dans des mélanges PDOL-PMMA, PDOL-PVC et PDOL-PVAc. Nous avons observé les mêmes transitions de phases que pour le PDOL pur et un certain degré de compatibilité dans le cas du PDOL-PMMA et du PDOL-PVC. / Poly(1,3-dioxolan) (PDOL) is a semi-crystalline polymer exhibiting in the solid state four different morphologies (Phases I, IIa, IIb and III). Transformations from one phase to another were followed by Polarized Optical Microscopy (POM) and Atomic Force Microscopy (AFM) as a function of crystallization temperature and molecular weight. Phase I shows a spherulitic morphology whereas Phase IIa normally grows radially from Phase I but it can also occur in the absence of Phase I. Its birefringence depends on the molecular weight of PDOL. Unexpectedly, at one point during the crystallization of Phase IIa, at constant temperature, it becomes highly birefringent, and this new morphology is called Phase IIb. When the transformation is completed, a new phase, Phase III, grows radially from Phase IIb; Phase III has never been observed without the presence of Phase IIb. Similarly, Phase IIb always replaces Phase IIa. This phenomenon is called cross-nucleation. The relative stability of the phases has been established as IIb > III >IIa. The growth rate of polymer spherulites was measured over a range of temperatures, from 10.0 to 24.0 °C, and showed remarkable molecular weight dependence. We found a critical molecular weight, around 5000 g.mol-1, below which the growth rate of Phase IIa is slower than that of Phase III but, at higher molecular weight, the trend is reversed. Finally, we explored the influence of the addition of a second amorphous polymer on the evolution of optical phases in some blends: PDOL-PMMA, PDOL-PVC and PDOL-PVAc. We found the same phase transformations as with pure PDOL and some degree of compatibility for the PMMA-PDOL and PDOL-PVC blends.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'implantation de matériaux pour reconstruction osseuse par des techniques chirurgicales peu invasives nécessite des substituts osseux synthétiques, résorbables, injectables et radioopaques. C'est pourquoi le contrôle des propriétés de ces matériaux est primordial. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse à la formulation de deux ciments, l'un uniquement à base de carbonate de calcium, le second composé d'un mélange de carbonate de calcium et de phosphate de calcium en quantités égales. Le traitement des phases solides pulvérulentes de ces deux ciments par les procédés de broyage et de co-broyage a été étudié. Ces procédés permettent entre autres de diminuer la taille moyenne des particules. Un mélange intime et homogène entre les constituants de la phase solide est obtenu grâce au co-broyage et les propriétés des ciments sont très significativement améliorées. Le temps de prise est diminué et l'injectabilité de la pâte est fortement augmentée (facteur 100). Cette dernière propriété a pu être évaluée grâce à la mise au point d'un dispositif et d'un protocole de mesure adaptés à un analyseur de texture. Dans le but de visualiser par radiographie aux rayons X l'introduction du ciment injectable dans le site osseux à réparer, du strontium a été introduit en tant qu'agent de contraste radio-opacifiant. Deux voies d'ajout à la formulation du ciment ont été étudiées : la première sous forme de SrCO3 dans la phase solide, la seconde sous forme de SrCl2 dans la phase liquide. Les études réalisées montrent que le co-broyage de la phase solide contenant du SrCO3 est intéressant pour homogénéiser la dispersion de l'agent de contraste et ainsi optimiser la quantité de strontium à incorporer pour atteindre le niveau de radio-opacité requis par la norme en vigueur. De plus, il a été observé que l'ajout de SrCl2 dans la phase liquide rend la pâte plus visqueuse et diminue son injectabilité. Par ailleurs, l'étude de la dissolution de ces ciments à pH physiologique a révélé une libération lente et prolongée du strontium. Enfin, des tests cellulaires in-vitro ont été réalisés sur ces ciments ; ils mettent en évidence l'excellent comportement de cellules ostéoprogénitrices vis-à-vis de ces formulations de ciment ainsi que l'intérêt d'utiliser le sel de SrCO3 plutôt que de SrCl2. La dernière partie de ce travail concerne l'étude de la cristallisation de l'aragonite, variété polymorphe du carbonate de calcium, en présence d'ions phosphate, connus pour inhiber la cristallisation du CaCO3. Grâce à une modélisation à l'aide de la technique de croissance cristalline à composition constante permettant de se placer dans des conditions proches de celles de la prise du ciment uniquement à base de carbonate de calcium in-vivo, il a été montré que la présence d'ions phosphate, même en très faible quantité (concentration < 0,5 µM) diminue à la fois la vitesse de germination et la vitesse de croissance cristalline de l'aragonite. L'ensemble de ces travaux contribue à l'optimisation des propriétés de ces ciments biomédicaux et à mieux appréhender leur comportement que ce soit au moment de leur implantation in-vivo ou de leur évolution et suivi post-opératoires. D'un point de vue fondamental, ces travaux pluridisciplinaires menés dans des conditions modèles in-vitro mais également dans le cadre d'une expérimentation in-vivo ont mis en évidence l'intérêt de confronter ces deux approches pour identifier et comprendre les phénomènes et les réactions impliqués lors de la prise des ciments à base de carbonate de calcium in-vitro et in-vivo. / Implantation of bone substitute materials using minimally invasive surgical techniques requires specific properties for the material including resorbability, injectability and adequate radio-opacity. The control of such properties of the material is of prime importance to meet a surgeon's requirements. In this context, this study deals with two different mineral cements: the first one is only composed of calcium carbonate phases and the second one is a mixture of equal amount of calcium phosphate and calcium carbonate phases. An original methodology involving complementary analytical techniques was implemented to thoroughly investigate the grinding mechanism of separated or mixed reactive powders constituting the solid phase and its effects on cement reactivity and properties. We show that co-grinding the solid phase decreases the mean size of the particles and favours both a homogeneous mixing and good contact between the components, leading to a decrease in the setting time. We also set two original protocols designed to evaluate paste injectability and phase separation during paste extrusion. Co-grinding leads to synergistic positive effects on cement injectability and radio-opacity. It allows maintaining a low and constant load during the extrusion of paste, which composition remains constant. Moreover, the cement's mechanical properties can be enhanced by lowering the L/S ratio because of the lower plastic limit. To be able to follow in situ the injection of the bone cement using X-ray radiography, strontium has been introduced as a contrast agent in the cement composition. Two different routes have been investigated: SrCO3 has been added to the solid phase or SrCl2 has been dissolved in the liquid phase. We show that co-grinding process permits to homogenise strontium distribution in the cement allowing us to optimise the minimum amount of strontium to add into the cement paste to reach the radio-opacity required by ISO 9917-1 standard. Moreover, adding SrCl2 in the liquid phase makes the cement paste more viscous and diminishes its injectability. Release tests performed on Sr-loaded cements show a sustained release of strontium at 37°C and pH 7.4. Finally, in-vitro cell tests have shown the excellent behaviour of osteoprogenitor cells, especially on cements including SrCO3. The last part of this work deals with the study of the crystallization of aragonite CaCO3 in the presence of phosphate ions, naturally present in biological fluids, to better understand the setting ability of calcium carbonate cements in-vivo. Using the constant composition crystal growth technique, we show that the presence of phosphate ions, even in very low amount (concentration < 0.5 µM) diminishes both the nucleation and the crystal growth rates of aragonite. This work contributes to the optimization of the properties of calcium carbonate-based cements and a better understanding and control of their behaviours during implantation and their evolution in-vivo. From a fundamental point of view, this multidisciplinary work performed in model conditions in-vitro and completed by preliminary in-vivo experiments have underlined the interest in combining these two approaches to identify and understand the phenomena and the chemical reactions involved during the setting of biomedical cements.

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR.