La bêta lactoglobuline (βlg) est une protéine globulaire qui forme le constituant majoritaire du sérum du lait ou petit lait. Par chauffage la protéine se dénature irréversiblement, puis s’assemble pour former des agrégats ou gels présentant des structures très différentes selon les conditions environnementales, en particulier de pH et de force ionique. Des travaux récents ont montré la possibilité de créer des agrégats stables de βlg de forme sphérique, de 100 à 400 nm de diamètre dans une plage de pH bien spécifique. Ces particules sphériques que nous appelons microgels, sont potentiellement très intéressantes pour des applications dans l’agroalimentaire (blanchissement, stabilisation d’interfaces et encapsulation). L’objectif de la thèse est d’étudier le mécanisme de formation de ces microgels et leurs propriétés structurales dans différentes conditions environnementales afin de pouvoir créer de nouvelles fonctionnalités. La première partie de la thèse a consisté à étudier l’influence du pH sur la formation des microgels. Les suspensions stables de microgels sont formées par chauffage de la solution de βlg en absence de sel jusqu’à 50 g.L-1 de protéine si le pH est placé dans une gamme très étroite entre 5,75 et 6,1. La densité de ces particules sphériques est environ 150 g.L-1 et leur rayon hydrodynamique diminue de 200 nm à 75 nm en augmentant le pH. La formation de ces microgels entraine une augmentation de pH, qui est nécessaire pour obtenir une suspension stable. L’augmentation spontanée du pH pendant la formation des microgels entraine une augmentation de leur densité de charge à la surface qui a pour conséquence d'empêcher leur agrégation. Ce mécanisme d’auto-stabilisation n’est plus suffisant si le pH initial est inférieur à 5,75 et on observe alors la précipitation des microgels. Les microgels ne sont plus formés au-delà d’une valeur critique du pH initial. Dans ce cas, les agrégats fibrillaires sont formés avec un rayon hydrodynamique d’environ 15 à 20 nm. La seconde partie de ce travail traite de la formation des microgels induite par l’ajout des ions calcium. Nous avons montré que des suspensions stables de microgels peuvent être obtenues en chauffant les solutions de βlg en présence des ions calcium. Les conditions de formation des microgels ont été étudiées à différents pH entre 5.8 et 7.5 et différentes concentrations de protéine entre 5 et 100 g.L-1. Il existe un rapport molaire critique calcium/protéine (R) pour former des microgels qui est indépendant de la concentration de protéine. R diminue en diminuant le pH. Les microgels ont un rayon hydrodynamique qui varie entre 100 et 300 nm et leur densité est comprise entre 200 et 450 g.L-1. La détermination de quantité de calcium lié aux microgels indique que le paramètre crucial pour la formation des microgels est la densité des charges nettes des protéines natives. Les suspensions de microgels sont stables dans certaines gammes étroites de R mais s’agrègent et précipitent ou gélifient à des concentrations de calcium plus élevées. Dans la troisième partie, nous avons continué à étudier la formation des microgels dans les étapes initiales et observer leur croissance en présence des ions calcium. On a proposé un mécanisme de formation des microgels de βlg, qui commence par un processus de nucléation et croissance. Des nucléi de tailles bien définies sont formés à la première étape, puis ils continuent à grossir jusqu’à la taille finale des microgels. A des faibles concentrations de calcium les microgels sont stables. A des concentrations plus élevées, les microgels peuvent s’agréger pour former des agrégats plus grands et finalement un gel. La structure des gels de microgels est hétérogène à l’échelle de la microscopie confocale et similaire à celle formée en présence de NaCl 0.3M. Pourtant le processus de formation de ces gels n’est pas le même... / Beta lactoglobulin (βlg) is a major whey protein in the bovine milk. Upon heating above its denaturation temperature (which is pH-dependent), this globular protein undergoes molecular changes leading to the irreversible aggregation. Depending on the pH and ionic strength, either protein aggregates or gels exhibiting various structures and morphologies have been described. Very recently, it was found that in a narrow range of the pH close to iso-electric point, stable suspensions of rather monodisperse spherical particles with a radius of about a hundred nanometers were formed. These spherical particles which were called microgels might be of special interest for the production of liquid dispersions of β-lactoglobulin aggregates exhibiting various functionalities for food applications. The project on which I report here was a collaboration with the Nestlé Reseach Center (Lausanne, Switzerland) and its objective was to study the formation and structural properties of the microgels in different environmental conditions. The first part of the project is to study the influence of the pH on the formation of microgels. Stable suspensions of protein microgels are formed by heating salt free βlg solutions at concentrations up to about C = 50 g.L-1 if the pH is set within a narrow range between 5.75 and 6.1. The internal protein concentration of these spherical particles is about 150 g.L-1 and the average hydrodynamic radius decreases with increasing pH from 200 nm to 75 nm. The formation of the microgels leads to an increase of the pH, which is a necessary condition to obtain stable suspensions. The spontaneous increase of the pH during microgel formation leads to an increase of their surface charge density and inhibits secondary aggregation. This self-stabilization mechanism is not sufficient if the initial pH is below 5.75 in which case secondary aggregation leads to precipitation. Microgels are no longer formed above a critical initial pH, but instead short curved protein strands are obtained with a hydrodynamic radius of about 15-20 nm. The second part of the work is about the formation of microgels driven by the addition of calcium ions. We found that stable suspensions of spherical protein particles (microgels) can be formed by heating βlg solutions in the presence of calcium ions. The conditions for the calcium induced microgel formation were studied at different pH between 5.8 and 7.5 and different protein concentrations between 5 – 100 g.L-1. The results showed that a critical molar ratio of calcium to proteins (R) is needed to form microgels independent of the protein concentration. R decreases with decreasing pH. The microgels have a hydrodynamic radius ranging from 100 to 300 nm and their internal protein concentration ranges from 0.2 to 0.45 g.mL-1. The determination of calcium bound to the microgels suggests that the crucial parameter for microgel formation is the net charge density of the native proteins. The microgel suspensions are stable in a narrow range of R but aggregate at higher Ca2+ concentrations. In the third part, we continued to investigate the formation of microgels at initial step and how it is growing in the presence of calcium ions. We have proposed a mechanism of formation of blg microgels which follows a nucleation and growing process. The nucleus with define size are formed at the initial state and that is growing in size to reach final size of aggregates. At low calcium concentration it stabilizes and then we obtain a stable suspension of microgels. But at high concentrations, the microgels here can jump to form big aggregates and finally a gel. The structure of gel from microgels is heterogenous at the scale of confocal microscopy and similar to those formed in the presence of NaCl 0.3 M. However the process of formation of these gels is not the same...

Pour construire le lien entre l'organisation structurale des milieux dispersés concentrés et leurs propriétés mécaniques, il est nécessaire de pourvoir identifier leur structure à l'échelle microscopique. En particulier, il faut être capable mesurer la taille des particules ou des amas de particules, leur concentration et les éventuelles anisotropies liées à une déformation ou une orientation (globale ou partielle) dans le cas de particules anisotropes (fibres par exemple) ou déformables (émulsions, globules rouges,...). La difficulté majeure est que ces systèmes composés de particules micrométriques sont généralement opaques à la lumière visible (produits agroalimentaires tels que les laitages, fluides biologiques tels que le sang, matériaux liés au bâtiment tels que les ciments, les argiles ou les peintures,...). Nous avons ainsi mis au point une technique optique basée sur la diffusion multiple de la lumière. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement à la caractérisation des milieux constitués d'objets anisotropes. Sous l'action d'un champ de cisaillement, on observe une orientation privilégiée ou une déformation globale des particules. L'objectif de cette thèse est donc à la fois d'étudier les mécanismes qui sont à l'origine de la déformation et/ou l'orientation des particules et également de mesurer ces anisotropies à l'échelle microscopique. On s'appuie pour mener cette étude sur un dispositif développé au laboratoire basé sur le transport incohérent de lumière couplé à un rhéomètre. Il s'agit d'un dispositif constitué d'une source laser focalisée à la surface d'un échantillon et d'une caméra CCD permettant l'acquisition d'une image rétrodiffusée loin du point d'impacte du laser. Parallèlement, une base de données de simulation de Monte Carlo est en cours de réalisation permettant par analyse des images rétrodiffusées anisotropes, de remonter à l'information sur l'anisotropie réelle des particules (facteur de forme) leur champ d'orientation (paramètre d'ordre). En effet, en confrontant les données expérimentales aux données numériques, nous sommes en mesure de déterminer le taux d'orientation moyen de particules très anisotropes ou de caractériser la déformation des particules. Une application à la déformation des rouges sous cisaillement pour du sang en concentration physiologique (40 à 50% en volume) sera présentée. D'autres applications, notamment à l'endommagement des plastiques et à l'orientation de suspensions de fibres seront discutées / To build the link between the structural organization between concentrated dispersions and their mechanical properties, you have to be able to identify their microscopic structure. In particular, for anisotropic particles (fibbers for example) or deformable particles (emulsions, red blood cells...), the knowledge of the particle size, the concentration, the deformation or the orientation of particles (partial or global) are very important. Most of concentrated dispersions are generally opaque to visible light (biological fluids as blood, clays...). An optical diffusing method based on multiple diffusion light has been developed in the laboratory to study this kind of materials. In this thesis, we are interested in the general problem of characterizing concentrated dispersions with anisotropic objects. Under shear rate, a preferential orientation or a global deformation of particles has been observed. The objective of this thesis is to study the mechanisms which involve deformation and/or orientation of anisotropic particles. An experimental device based on the incoherent light transport has been developed at the laboratory in order to determine the orientation or the deformation. The experimental device is composed of a focused laser diode and a CCD camera to acquire the backscattered images. A data base of Monte Carlo simulation has been created in order to get the form factor or the orientation of particles by analyse of anisotropic backscattered images. By comparing the numerical data with the experimental data, we are able to determine the average rate of orientated particles. Thanks to this optical diffusing method, the deformation of red blood cells in physiological concentration (40 to 50% volume fraction) and the orientation of fibbers dispersion has been study

Nous avons mis en évidence expérimentalement différents aspects dynamiques qui traduisent les changements de structure dans les microémulsions. A très faible teneur en phase dispersée, nos systèmes ont été étudiés par diffusion de lumière avec un modèle de gouttelettes dispersées en interactions. A plus forte concentration, l'agrégation macroscopique liée aux interactions attractives entre gouttelettes est observée par des mesures de conductivité électrique.Par des mesures d'effet Kerr (statique et dynamique), on a étudié et analysé ce processus d'agrégation transitoire à une échelle microscopique qui correspond dans son premier stade à la formation de dimères de gouttelettes. Enfin, à une échelle moléculaire en R.M.N., des mesures de coefficient d'autodiffusion testent les échanges de constituants lors de chocs entre gouttelettes. D'autre part, l'étude d'un système où l'on passe d'une microémulsion eau dans huile à huile dans eau montre que dans la situation intermédiaire la structure est bicontinue.

Dans ce travail, nous avons étudié la relation entre la viscosité et la dynamique microscopique (caractérisée par le temps de relaxation structurale) d'une suspension colloïdale en fonction de la fraction volumique. Nous avons mis au point une expérience originale nous permettant de mesurer la viscosité et le temps de relaxation simultanément sur le même échantillon. La dynamique microscopique est mesurée à l'aide de techniques conventionnelles de diffusion dynamique de la lumière "multi-speckles" ; la viscosité est quant à elle obtenue en mesurant la vitesse de sédimentation de particules-sondes micrométriques. Ces mesures nous ont permis d'étendre d'au moins deux décades la gamme de viscosités à taux de cisaillement nul préalablement explorée. Nous montrons que la viscosité et le temps de relaxation structurale mesuré au pic du facteur de structure statique, sont couplés jusqu'à des fractions volumiques situées bien au-delà de la transition vers un régime surfondu. Par ailleurs, nous avons constaté que le fort accroissement du temps de relaxation à l'approche de la transition vitreuse était bien décrit par une divergence exponentielle, plutôt que par une loi de puissance critique prévue par la Théorie de Couplage des Modes (MCT). / In this work, we have investigated the relation between the viscosity and the microscopic dynamics (structural relaxation time) of colloidal suspensions, as a function of volume fraction. We have designed and implemented an original setup which allows us to measure the viscosity and the relaxation time simultaneously on the very same sample. The dynamics are measured by conventional multispeckle dynamic light scattering, while the viscosity is obtained by measuring the sedimentation velocity of micron-sized tracer particles. Our measurements extend the range of previous measurements of the zero-shear viscosity by two decades. We find that the viscosity and the relaxation time measured at the peak of the static structure factor are coupled up to deep in the supercooled regime, thereby extending previous observations that were limited to the onset of supercooling. Furthermore, we show that the steep growth of the relaxation time on approaching the glass transition is well described by an exponential divergence, rather than by a critical power law as predicted by Mode Coupling Theory (MCT).

Au cours de ce travail de thèse, sur l'hydrodynamique de l'écoulement dans le un réacteur continu, où les propriétés des nanomatériaux élaborés dépendent des caractéristiques morphologiques et structurales de la solution colloïdale issue du réacteur, nous avons d'abord optimisé les conditions d'utilisation (Re ≈ 6000), ainsi que la géométrie du T-mélange dans le but d'améliorer la qualité du micro-mélange. Ensuite, des mesures expérimentales ont permis de vérifier que la condition de Damköhler est respectée (Da ≤ 1). Enfin, ce résultat a été validé numériquement. Au delà de cette valeur de Re critique (Re* ≈ 8000), nous avons mis en évidence le phénomène de cavitation dans le T-mélange. Ce phénomène à été étudié expérimentalement, par des mesures SLS, et numériquement par des simulations CFD. Les résultats obtenus par ces deux approches concordent. Enfin, des mesures DLS ont été effectuées pour étudier et caractériser les bulles de cavitation. Ces dernières ont permis d'évaluer la taille des bulles ainsi que leur trajectoire le long de l'axe Z à la sortie du T-mélange. Cette étude a été suivie par des simulations numériques de la cavitation et du modèle multiphasique dans notre écoulement. Les deux études, expérimentale et numérique, ont confirmé que la diminution de l'intensité de la lumière diffusée mesurée par SLS le long de l'axe Z est due à l'évolution du nombre et de la taille des bulles / During this Phd work, on the hydrodynamics of flow in a continuous reactor, where the properties of the elaborated nanomaterials depend on the morphological and structural characteristics of the colloidal solution out coming from the reactor, we first optimized the conditions of use of the latter (Re ≈ 6000), as well as the geometry of the T-mixer in order to improve the quality of the micro-mixing. Then, experimental measurements allowed us to verify that the condition of Damköhler is respected (Da ≤ 1). Finally, this result has been validated numerically. Beyond this Re critical value (Re * ≈ 8000), we have highlighted the phenomenon of cavitations in the T-mixer. This phenomenon has been studied experimentally, by SLS measurements, and numerically by CFD simulation. The results obtained by these two approaches are in agreement. Finally, DLS measurements were made to study and characterize cavitations bubbles. These measurements allowed us to evaluate the size of the bubbles as well as their trajectory along the Z axis 121 at the outlet of the T-mixer. This study was followed by numerical simulations of the cavitations and the multiphase model in our flow. Both experimental and numerical studies confirmed that the decrease in the intensity of scattered light measured by SLS along the Z axis is result to the changes of the number and the size of bubbles.

Plusieurs paramètres peuvent influencer l'auto-assemblage des copolymères à blocs : la nature chimique, la concentration, la température ou encore l'architecture de la macromolécule en sont quelques exemples. C'est en partant de ces considérations que l'objectif de ce travail de thèse a été fixé. <br />Il s'agit d'étudier l'effet de la cyclisation de copolymères à blocs sur leurs propriétés d'auto-assemblage en solution et en masse. Dans un premier temps, des copolymères diblocs linéaires et cycliques, composés d'un bloc PS hydrophobe et d'un bloc PI hydrophobe ou PVME hydrophile, ont été élaborés en utilisant une stratégie de synthèse fondée sur la combinaison de méthodes de polymérisations vivantes contrôlées et de couplage des extrémités de chaînes. Nous avons ensuite comparé les comportements auto-associatifs, en solution diluée et en masse, des copolymères cycliques avec ceux de leurs précurseurs linéaires de même composition et de même masse molaire. L'influence de plusieurs paramètres a été examinée : le choix du solvant (sélectif ou non de l'un des blocs, mélanges...), la température, la méthode de préparation des échantillons, la concentration, etc... Ces objectifs n'auraient pu être atteints sans l'utilisation de techniques d'analyse physico-chimique complémentaires.

Nous étudions des fluides complexes placés hors d'équilibre par un cisaillement ou par des vibrations verticales. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus par des techniques de mesures locales sur les écoulements en bande de cisaillement dans divers systèmes de tensioactifs et sur l'instabilité de Faraday dans les micelles géantes.

L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances d'une méthode d'imagerie optique non-invasive pour la détection de précancers et cancers précoces de la vessie, à l'aide d'une analyse de lumière laser rétro-diffusée. L'analyse de la distribution spatiale de la lumière à la surface de fantômes multi-couches imitant l'épithelium de vessie avec différentes propriétés d'absorption et de diffusion nous a permis de montrer les modifications de ces propriétés optiques entraînent des changements de la taille de la surface du spot de lumière rétro-diffusée, mesurables par une caméra vidéo. La méthode développée est également sensible à l'accumulation d'un photosensibilisateur et est applicable aussi bien pour des études en réflectance diffuse qu'en fluorescence induite. Les paramètres optiques des fantômes synthétiques tri-couches imitant différents états des épithéliums de vessie ont été calculés à partir de la théorie des ondes électromagnétiques appliquée aux diffuseurs sphériques sans et avec une couche. Ces paramètres ont servi comme entrées aux simulations de Monte Carlo qui ont permis d'obtenir les matrices des distributions d'intensité de réflectance diffuse. Notre étude démontre que les mesures en imagerie de réflectance diffuse non-polarisée permettent de fournir des informations utiles au diagnostic tissulaire.

Les nanocolloïdes magnétiques sont des dispersions de nanostructures magnétiques dans un liquide porteur. Par la combinaison des propriétés du liquide et des particules magnétiques, ces dispersions peuvent être confinées, déplacées, déformées et contrôlées par l'application d'un champ magnétique externe et ont ainsi de nombreuses applications en nanosciences et les nanotechnologies. Nous avons étudié la dispersion de nanoparticules magnétiques (NPM) dans les solvants eutectiques profonds (DES). Ces solvants, constitués d'un mélange entre un sel d'ammonium (ici le chlorure de choline (Ch) et un donneur de liaison H (ici, l'ethyleneglycol (EG) ou l'urée (U)) ont des propriétés proches des liquides ioniques tout en étant biodégradables. L'un des verrous concernant ces dispersions est la nature des forces impliquées dans la stabilité colloïdale. En effet, on ne peut plus expliquer la stabilité des dispersions dans ces milieux par le modèle DLVO, classiquement utilisé dans l'eau, du fait de leur force ionique élevée. Nous avons dans en premier temps caractérisé soigneusement deux DES (ChEH (1:3) et ChU (1:2) en mol) du point de vue de la densité et viscosité pour des températures entre 20 et 45°C. Ceci nous a permis de montrer la forte association de ces liquides. Un protocole de dispersion de nanoparticules de maghémite (Fe2O3) ou de ferrite mixte (CoxZn1-xFe2O4) est ensuite proposé, et les dispersions sont étudiées par diffusion de rayonnement (lumière et SAXS). Il s'est avéré que les particules les plus petites étaient les mieux dispersées. Enfin, un test de synthèse de NPM dans des solutions d'argile a permis d'obtenir une polydispersité plus faible en sortie de synthèse. / Magnetic nanocolloids are dispersions of magnetic nanostructures in a carrier fluid. Thanks to the original properties of both the liquid and the magnetic particles, these dispersions can be confined, moved, deformed and controlled by applying an external magnetic field. Such dispersions thus have many applications in nanoscience and nanotechnologies.We studied the dispersion of magnetic nanoparticles in deep eutectic solvents (DES). These solvents (DES), obtained by mixing a quaternary ammonium salt (e.g., choline chloride Ch) and a hydrogen bond donor (e.g., ethyleneglycol EG or Urea U) have properties similar to ionic liquids, and are also biodegradable. One of the questions about these dispersions is the nature of the forces implied in colloidal stability, since the DLVO model classically used in water cannot be invoked here due to the very high ionic strength of the solvent.In a first step, we have carefully characterized two DES ((ChEG (1:3) and ChU (1:2) in mol), measuring the density and viscosity for temperatures between 20 and 45°C. We could thus show the high association in these liquids.A protocol to disperse nanoparticles of maghemite (Fe2O3) or mixed ferrite (CoxZn1-xFe2O4) is then proposed, and the obtained dispersions are studied by dynamic light scattering and SAXS. The size polydispersity was reduced by size sorting, and it reveals that the smallest particles are the most easy to disperse in the DES.Last, a synthesis of NMP in clay dispersion was tested and showed promising results with a reduced size polydispersity.

Les métallacarboranes sont des clusters anioniques constitués d'atomes de bore, de carbone et d'hydrogène avec un cation métallique pris en « sandwich » au cœur de ce cluster (Co3+ en général) et hautement stable thermiquement que chimiquement. Ces entités sont représentées trivialement par la lettre grecque « thêta » où leurs pôles sont considérés comme hydrophobes et possèdent une charge négative délocalisée qui peut être contre balancée par un proton acide. Cette forte stabilité ainsi que ces diverses propriétés leur procurent un intérêt particulier dans des applications telles que la co-extraction du Cs et Sr dans les effluents nucléaires ou bien en médecine pour leur aptitude à inhiber la protéase du VIH de par ses liaisons hydrogènes. La chimie du bore étant relativement riche, une synthèse de quelques dérivés a été réalisée en laboratoire. Il est ainsi possible de substituer spécifiquement des atomes d'hydrogène par des atomes d'iode ou de chlore ou bien de changer le métal central par un cation Fe3+ formant respectivement les anions diiodo-COSAN (I2COSAN), dichloro-COSAN (Cl2COSAN) et ferrabisdicarbollide (FESAN). Ces métallacarboranes sont aussi considérés comme une nouvelle classe de tensioactif pour lesquels une première étude de leur auto-assemblage a été réalisée. Les résultats obtenus sur l'un d'entre eux, le cobaltabisdicarbollide ou COSAN, ont montré un effet sur la tension de surface ainsi qu'une structuration spontanée de ces clusters en forme de vésicule (à partir de 0,5 mmol/L) et par interaction Coulombienne, tendent à former des micelles à plus forte concentration (après 15 mmolL). Mais ces derniers offrent davantage de surprise de par la formation de phases lyotropes en solution aqueuse. En effet, ces phases, clairement identifiées par des techniques de diffusion au rayon-X et microscopie, montrent une dépendance en température mais aussi en concentration dont un diagramme de phase a pu être établi pour le I2COSAN en particulier. Cette thèse fait ainsi l'objet de la compréhension des phénomènes contrôlant cette agrégation de ces curieux composés. / Metallacarboranes are anionic clusters composed of boron, carbon and hydrogen with a metallic cation sandwiched at the heart of this cluster (Co3+ in general) and highly stable in thermic and chemical point of view. These entities are trivially represented by the Greek letter "theta" where the poles are considered hydrophobic and have a negative charge delocalized and counter-balanced by an acidic proton. This high stability as well as the various properties gives a particular interest in applications such as the co-extraction of Cs and Sr in nuclear waste or in medicine for their ability to inhibit HIV protease by its hydrogen bonds. The chemistry of boron is relatively rich; a synthesis of some derivatives was performed in laboratory. It is possible to substitute specifically hydrogen by iodine or chlorine atoms or change the metallic heart by other atom as Fe3+, respectively forming diiodo- COSAN (I2COSAN), dichloro-COSAN (Cl2COSAN) and ferrabisdicarbollide (FESAN) anions. Metallacarboranes are also considered as a new class of surfactant where a first study of their self-assembly has been performed. The results of one of them, cobaltabisdicarbollide or COSAN, have shown an effect at the surface tension and theses clusters formed spontaneously vesicles in dilute regime (from 0.5 mmol/L) and by Coulomb interactions, they form micelles at higher concentration (after 15 mmol/L). But they offer more surprise by the formation of lyotropic phases in aqueous solution. Indeed, these phases, clearly identified by X-ray scattering techniques and microscopy, showed temperature and concentration dependence where a phase diagram was established for the I2COSAN in particular. Therefore, the thesis is focused on the understanding of the phenomena controlling the aggregation of these curious compounds.