Les techniques de diffusion incohérente élastique et quasiélastique de neutrons ont été utilisées pour mesurer la dynamique de la protéine et de l'eau cellulaire sur les échelles de quelques picosecondes et de quelques Ångstroms. La dynamique de l'hémoglobine a été mesurée dans les globules rouges, in vivo. La dynamique interne de la protéine montre un changement de régime à 36.9°C, la température physiologique. À des températures plus élevées que la température physiologique, les chaînes latérales des amino acides occupent des volumes plus grands que prévu par la dépendance normale sur la température. La diffusion globale de l'hémoglobine a été interprétée avec la théorie pour la diffusion des particules colloïdales à temps de courte durée. L'influence de l'hydratation sur la dynamique de l'hémoglobine a été étudiée avec la diffusion de neutrons. Les temps de résidence entre les sauts locaux dans l'ordre de quelques picosecondes sont réduits en solution concentrée et augmentés en poudre d'hémoglobine hydratée. La transition dans la géométrie des mouvements internes à la température du corps a été trouvée dans la solution concentrée, mais pas dans la poudre hydratée. Il a été conclu que les poudres hydratées ne représentent pas un bon modèle pour la dynamique de la protéine dans l'ordre de quelques picosecondes, qui est corrélée à la fonction biologique. La dynamique de l'eau cellulaire dans les globules rouges a été mesurée avec la technique de diffusion incohérente quasiélastique de neutrons. Une fraction de l'eau cellulaire d'environ 90% est caractérisée par un coefficient de diffusion translationnel similaire à celui de l'eau volumique. Les 10% restant présentent une dynamique ralentie de façon significative. La fraction ralentie a été attribuée à l'eau en interaction avec l'hémoglobine. Elle correspond à environ la moitié de l'eau dans la première couche d'hydratation de la protéine.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de liants aluminosilicatés que sont les géopolymères. La première partie de ce travail a consisté à caractériser la texture poreuse des géopolymères, par des techniques intrusives (porosimétrie à eau, adsorption-désorption d’azote, intrusion mercure) et non-intrusives (diffusion des rayons X et des neutrons aux petits angles). Le terme « texture poreuse » regroupe la forme et la taille des pores, le volume poreux, la surface spécifique et la connectivité des pores. En parallèle, l’évolution de la texture poreuse et des propriétés mécaniques a été suivie sur une période de deux ans, en évitant les échanges avec le milieu extérieur afin d’étudier l’évolution intrinsèque des géopolymères. La seconde étape a consisté à étudier les propriétés thermodynamiques, la structure et la dynamique de l’eau confinée dans la porosité, par calorimétrie différentielle à balayage basse température, par diffusion des neutrons et par des essais de migration. La structure poreuse des géopolymères est complexe, puisqu’il s’agit d’une porosité multi échelle, méso- et macroporeuse, essentiellement ouverte et connectée. Elle consiste en un réseau vermiculaire de mésopores et un réseau de macropores connecté via les mésopores. La taille caractéristique (comprise entre 4 et 10 nm environ) et le volume des mésopores dépendent de la formulation de la pâte de géopolymère, à savoir de la teneur en eau, du rapport molaire Si/Al et de la nature du cation compensateur de charge. Il a été montré que les géopolymères étudiés sont très poreux, la porosité représentant entre 40 et 50 % du volume total du matériau. Le volume mésoporeux représente entre 7 et 15 % du volume total, le reste étant attribué à un volume macroporeux. Au cours du temps, la porosité des géopolymères se ferme légèrement, ceci étant attribué à un mécanisme de dissolution-reprécipitation au niveau des murs de pores. Les propriétés mécaniques atteignent un maximum entre 7 et 10 jours, puis sont stables dans le temps lorsque les échantillons sont conservés à 20°C et à l’abri du séchage ou de la carbonatation de la solution porale. Par ailleurs, trois types d’eau ont été mises en évidence au sein des pores : (i) l’eau liée chimiquement et/physiquement à la surface des parois, (ii) l’eau libre confinée dans les mésopores, et (iii) l’eau libre dans les macropores. A l’échelle locale, les molécules d’eau possède une mobilité proche de celle de l’eau libre, tandis qu’à l’échelle macroscopique, une diminution d’un ordre de grandeur du coefficient de diffusion a été observé, avec un effet probable de la taille des mésopores. / In this study, we have investigated the porous network of geopolymers. The first step consisted in characterizing the structure of the porous network by the means of both intrusive experimental techniques (water porosimetry, gas sorption and mercury intrusion) and non-intrusive techniques (small-angle X-ray and neutron scattering). By the same time, the evolutions of the porous structure as well as the mechanical properties were followed over time. The second step was to determine the structure, the thermodynamics and the dynamics of water confined in the porosity by differential scanning calorimetry, quasi-elastic neutron scattering and migration tests.Geopolymer pore structure is a complex multi-scale porosity, a meso- and macroporous network, essentially open and connected. It consists in a vermicular mesoporous network which connects the macropores. The mesopore characteristic size depends on the formulation of the geopolymer paste and is ranged between about 4 and 10 nm. Geopolymer have a total pore volume comprised between 40 and 50 %, the mesoporous volume represents between 7 and 15 % of the material global volume. The majority of the pore volume is then attributed to macropores. A slight closure of porosity was observed with time and was attributed to a dissolution-precipitation mechanism occurring at pore wall interfaces. The mechanical properties reach a maximum within 10 days, and then are stable over time when the samples were kept from drying and carbonation and at the temperature of 20°C. Besides, three kinds of water were highlighted inside the porosity: (i) an interfacial water linked at the pore surfaces, (ii) free water inside the mésopores and (iii) free water inside macropores. At local time scale, the mobility of water was found close to the one of free water, and at the macroscopic scale, a decrease in diffusion coefficient of one order of magnitude was observed, together with an effect of mesopore size.

L'objectif de la thèse est d'étudier l'impact d'apports répétés de composts urbains sur la dynamique de l'eau et de l'azote dans le système sol-plante, en sol cultivé. La dynamique de l'eau a été suivie en sol nu et en sol cultivé avec du maïs à l'aide de sondes TDR et de tensiomètres, entre 20 et 160 cm de profondeur. Un suivi de la dynamique d'un traceur de l'eau (anion bromure) et de l'azote minéral du sol a été réalisé par des prélèvements destructifs. Les données mesurées ont été utilisées pour simuler la dynamique de l'eau et de l'azote dans le sol suite aux apports de composts à l'aide du modèle PASTIS. L'apport de composts a affecté les propriétés hydriques de l'horizon de surface du sol, en augmentant la rétention en eau et en diminuant les flux d'évaporation par rapport au témoin. Cet effet peut être relié à l'augmentation de la teneur en matière organique du sol après 10 ans d'apports des composts. La modélisation de la dynamique de carbone et de l'azote dans le sol a permis de montrer l'importance des arrières effets des apports précédents sur la fourniture en azote minéral du sol et un effet positif de l'apport de PRO sur la disponibilité de l'azote pour la plante. L'apport d'un compost à forte biodégradabilité, comme amendement organique, présente plus d'intérêt durant l'année qui suit son apport, alors que les composts à faible biodégradabilité représentent l'avantage d'avoir une minéralisation plus importante à long terme (après des apports répétés).

L'optimisation des performances d'une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l'eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l'eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure - transport dans i) L'Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes " modèles " auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l'évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l'hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l'eau à l'échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l'échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l'impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l'Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés.