Les interactions organo-minérales contrôlent la stabilisation de la matière organique du sol. Les nanominéraux, résultant de l'altération continue des minéraux, précipitent à partir d'espèces ioniques à leur surface. Les derniers travaux de simulation en laboratoire se sont focalisés sur les nanophases de Fe et Al. Dans ce travail, des simulations en laboratoire ont été réalisées sur les processus d'altération de la biotite et les néoformations résultantes, après hydrolyse d’espèces dissoutes d'un système Si Fe Al Mg et K, en présence et en absence de C. La structure des phases a été caractérisée par TEM- EDX et Fe-EXAFS.En l'absence de C, des nanominéraux amorphes de 10-60nm sont formés, la composition étant contrôlée par le pH en fin d'hydrolyse. A pH4.2 et 7, leur composition est dominée par Fe, dont la polymérisation est perturbée par Al Si Mg et K. Inversement, à pH5, la polymérisation du Fe est limitée par la précipitation de grandes quantités de Si. En présence de C, les complexes organo-minéraux synthétisés sont des particules amorphes de 2-200nm. Leur taille augmente avec la teneur croissante en C jusqu'à un ratio métal/C de 1. La précipitation engendre 2 familles: (1) les petites particules chimiquement similaires à la solution de lixiviat; (2) les plus grosses fortement contrôlées par la teneur de C. La composition de ces dernières est dominée par Si lorsque C est faible, et par Fe lorsque C est élevé. Le changement de chimie entre les particules plus petites et plus grandes ainsi que le rôle de Si sont importants mais souvent négligés. Ainsi, ces résultats éclairent l'effet des variations de C sur l'affinité des espèces inorganiques dans les systèmes naturels / Organo-mineral interactions, due to the high reactivity of nanominerals, play a major role in soil organic matter stabilization. Nanominerals, which are the result of the continuous alteration of minerals, precipitate from ionic species at the mineral solution interface. In literature, only Fe and Al get emphasis with regard to batch-synthesized nanomineral studies. In this work, laboratory simulations were carried out on the post biotite alteration processes and the resulting neoformations after hydrolysis of the dissolved species from a Si Fe Al Mg and K system, in the presence and absence of C. New phases were characterized by TEM-EDX and EXAFS at the Fe K-edge.In C absence, 10-60nm sized amorphous nanominerals are formed whose composition is controlled by pH at the end of the hydrolysis. For pH4.2 and 7 phases, composition is dominated by Fe, whose polymerization is hindered by Al, Si, Mg and K. Conversely, at pH5, the overall presence of Fe is counteracted by precipitation of high amounts of Si. In C presence, precipitates are amorphous 2-200nm sized particles. This size increases with increasing C presence until a molar Metal:C=1. Precipitation resulted into two distinct size ranges. Smaller particles chemically resemble the leachate solution, while for larger particles it is influenced by C concentration. Composition of larger particles is dominated by Si at low C compositions while by Fe at higher ones. Interesting is the change in chemistry between smaller and larger particles as well as the role of Si often overlooked in other studies. Therefore, these results emphasize on effect of C variations on affinity of inorganic species in natural systems.

The context of this PhD is the reduction of sizes involved in material development and the confinement of heat in modern devices, which are known to lead to the apparition of hot spots. The goal is to investigate heat conduction from micro- to nanoscale wide Joule-heated wires standing on flat layered materials. A particular focus is given to the analysis of phonon heat dissipation when departing from the well-known Fourier diffusive conduction and entering the ballistic regime. The manuscript starts with a summary of the main observed effects on the effective thermal conductivity in nanoscale materials, especially in light of the values of thermallyaveraged phonon mean free paths and the associated Knudsen number. Then the advantages and drawbacks of various measurement techniques are discussed. The analysis of the experimental configuration requires 2D analytical and 3D finite-element method based numerical studies of diffusive heat conduction from a finite source into a medium. Limitations of the 3! method due to wire length, substrate geometry and thin oxide layers are highlighted. The electro-thermal setup developed and the procedure used to deposit the devices on top of the samples are then detailed. A set of well-known materials with mean free path ranging from few nanometers to hundreds of nanometers is characterized with microwires. The thermal conduction properties of multilayer materials are investigated. Heat dissipation from finite sources on top of silicon substrates is then measured as a function of temperature. The mean free path is known to become large when temperature decreases. As a result, this configuration provides clues for understanding heat conduction from ballistic sources. The observed behavior is very different from the one predicted by Fourier’s law and shows a strong reduction of the dissipation. It is found that the results are comparable to earlier measurements involving ridges. They are analyzed with various levels of approximations of predictions using the Boltzmann transport equation. The results obtained may be useful in many fields, in particular for electronics and thermoelectric designs. / Le contexte de ce doctorat est la réduction des tailles impliquées dans le développement des matériaux et le confinement de la chaleur dans les dispositifs modernes, qui sont connus pour conduire à l'apparition de points chauds. L'objectif est d'étudier la conduction de la chaleur à partir de fils chauffés par Joule à l'échelle nanométrique et à l'échelle nanométrique, reposant sur des matériaux à couches planes. Une attention particulière est accordée à l'analyse de la dissipation thermique des phonons en partant de la conduction de Fourier bien connue et en entrant dans le régime balistique. Le manuscrit commence par un résumé des principaux effets observés sur la conductivité thermique effective dans les matériaux à l'échelle nanométrique, en particulier à la lumière des valeurs des voies libres moyennes des phonons et du nombre de Knudsen associé. Ensuite, les avantages et les inconvénients des différentes techniques de mesure sont discutés. L'analyse de la configuration expérimentale nécessite des études numériques 2D basées sur la méthode des éléments finis et des éléments finis de la conduction de chaleur par diffusion à partir d'une source finie dans un milieu. Limitations du 3! méthode en raison de la longueur du fil, de la géométrie du substrat et des couches minces d'oxyde sont mises en évidence. La configuration électro-thermique développée et la procédure utilisée pour déposer les dispositifs sur les échantillons sont ensuite détaillées. Un ensemble de matériaux bien connus avec un chemin libre moyen allant de quelques nanomètres à des centaines de nanomètres est caractérisé par des microfils. Les propriétés de conduction thermique des matériaux multicouches sont étudiées. La dissipation thermique des sources finies sur les substrats de silicium est ensuite mesurée en fonction de la température. Le libre parcours moyen est connu pour devenir important lorsque la température diminue. En conséquence, cette configuration fournit des indices pour comprendre la conduction de la chaleur à partir de sources balistiques. Le comportement observé est très différent de celui prédit par la loi de Fourier et montre une forte réduction de la dissipation. On trouve que les résultats sont comparables à des mesures antérieures impliquant des crêtes. Ils sont analysés avec différents niveaux d'approximations de prédictions en utilisant l'équation de transport de Boltzmann. Les résultats obtenus peuvent être utiles dans de nombreux domaines, en particulier pour les conceptions électroniques et thermoélectriques.

Deux techniques de caractérisation thermique des matériaux et d’analyse du transfert de chaleur aux micro- et nano- échelles ont été étudiées et sont présentées dans ce mémoire. La première technique est la microscopie thermique à sonde locale (SThM). La pointe d’un microscope à force atomique intègre un élément résistif. Utilisée en mode contact, cette pointe, chauffée par effet joule, permet l'excitation thermique localisée de l’échantillon. La détermination des propriétés thermiques de l’échantillon nécessite l'analyse de la réponse de cette pointe avec un modèle du système sonde-échantillon et de son environnement. Un état de l'art général des études réalisées en SThM permet de poser les questions scientifiques actuellement traitées dans le domaine. Une attention particulière est accordée à l'interaction thermique sonde-échantillon. L’étude ici présentée tient compte des propriétés thermiques, de la rugosité et de la mouillabilité de la surface de différents échantillons. Une nouvelle méthodologie est établie pour la spécification du transfert de chaleur échangée par conduction thermique au travers du ménisque de l'eau formé au contact sonde-échantillon. Cette méthodologie est basée sur l'analyse de la dépendance à la température de la sonde des courbes de force-distance obtenues à l'air ambiant. Elle est appliquée à trois sondes de taille, forme et constitution différentes: la sonde Wollaston, la sonde KNT et une sonde en silicium dopé. Quels que soient la sonde et l'échantillon, la contribution du ménisque d’eau à l'interaction est montrée être inférieure à celle de l'air. La conductance thermique au contact solide-solide est déterminée pour différents échantillons. Cela a permis d’identifier le coefficient de transmission de phonons dans le cas de la sonde KNT et des échantillons non-métalliques. La conduction thermique via l’air dépend fortement de la conductivité thermique de l'échantillon. La sensibilité à la conductivité thermique pour les sondes Wollaston et KNT est part ailleurs montrée fortement réduite pour les matériaux de conductivité thermique supérieure à 10 et quelques W.m-1.K-1 respectivement. La seconde technique développée est une méthode d’analyse thermique moins locale nécessitant l’instrumentation de la surface de l’échantillon avec un réseau de sondes résistives filiformes. L’un des fils du réseau, chauffé par un courant alternatif à la fréquence f, a le rôle de source excitatrice continue et à la fréquence 2f de l’échantillon. Un modèle analytique 2D, basé sur le principe des ondes thermiques et développé pour identifier les propriétés thermiques d’échantillons anisotropes est présenté. Des simulations par éléments finis et avec ce modèle ont été utilisées pour dimensionner le montage expérimental et valider la méthode sur un échantillon de silicium pur. Les résultats obtenus à des températures de l’échantillon variant de l’ambiante à 500 K corroborent ceux de la littérature. / Two techniques to characterize the thermal properties of materials and to analyze the heat transfer at the micro/nanoscales have been studied and are presented in this manuscript. The first technique is an Atomic Force Microscopy (AFM)-based Scanning Thermal Microscopy (SThM) technique. Operating in its active mode, the AFM probe integrates a resistive element that is electrically heated. Used in AFM contact mode, it allows the localized thermal excitation of the material to be studied. The determination of the sample thermal properties requires the analysis of the probe thermal response through the modeling of the probe-sample system including its surrounding. Through a state of the art of the SThM studies, the current scientific questions and the analytical models used to analyze the probe-sample system are exposed. Special attention is given to the probe-sample thermal interaction that conditions the tip-sample interface temperature. In this work, a new methodology based on the analysis of the dependence of force-distance curves on probe temperature obtained in ambient air has been established. It permits the study and the specification of the heat rate exchanged between probe and sample through thermal conduction through water meniscus. The methodology has been applied with samples with different thermal properties, surface roughness and wettability to three resistive probes different in size and heater configurations: Wollaston, KNT and doped silicon (DS) probes. Whatever the probe and the sample are, the contribution of water meniscus in the probe-sample interaction has been shown to be lower than the one through air. The thermal conductances at the solid-solid contact were determined for various samples. This allowed identifying the phonon transmission coefficient in the case of KNT probe and a nonmetallic sample. The heat conduction through air strongly depends on the sample thermal conductivity. Moreover, the sensitivity to sample thermal conductivity for the Wollaston and KNT probes is shown to be strongly reduced for thermal conductivities larger than 10 and few W.m-1.K-1 respectively. The second technique developed in this thesis is a less local thermal analysis method. It operates by contact, requiring the implementation of the sample with a network of resistive wire probes. One wire of the network is heated by an alternating current at frequency f and has the role of heating source, continuous and at 2f frequency, for the sample. A 2D analytical model, based on the principle of thermal-waves, was developed to identify though the measurements the effective thermal properties of anisotropic samples. Finite element simulations and this model were used to design the experimental set-up and validate the method on a sample of pure silicon. The results obtained at sample temperatures ranging from ambient to 500 K are consistent with literature.

Les ostéocytes sont les plus nombreuses cellules du tissu osseux, enterrées dans la matrice osseuse. Elles sont interconnectées par des dendrites, situées dans des canaux appelés canalicules. Les lacunes ostéocytaires, les cavités dans lesquelles les cellules sont logées, avec les canalicules forment un réseau de communication à travers la matrice osseuse, permettant le transport des nutriments et des signaux. Ces cellules, considérées d’abord passives, ont révélé dernièrement leur rôle en tant que cellules mécanosensitives et orchestratrices du remodelage osseux. Malgré les progrès récents des techniques d'imagerie, aucune méthode disponible ne fournit une évaluation 3D adéquate du réseau lacuno-canaliculaire (LCN). Les objectifs de cette thèse ont porté sur l’imagerie 3D du LCN par tomographie synchrotron à rayons X (SR-CT), et le développement d’outils de détection et segmentation 3D de ce réseau cellulaire, afin de le quantifier et analyser. Nous démontrons la faisabilité de la SR-CT en géométrie parallèle pour imager le LCN dans le tissu osseux (voxel~300nm). Cette technique fournit des données 3D sur la morphologie du réseau cellulaire et aussi sur la composition de la matrice osseuse. Comparée aux méthodes d'imagerie 3D existantes, la SR-CT permet l'imagerie d’un volume de tissu beaucoup plus important, d'une manière plus simple et rapide. Cela rend possible l'étude de séries de spécimens afin d'obtenir des conclusions biomédicales. Nous proposons aussi l'utilisation de l’holotomographie divergente synchrotron, pour imager l'ultrastructure du tissu osseux (voxel~60nm). La reconstruction d'image fournit des cartes de phase, obtenues après application d'un algorithme d’inversion de phase adéquat. Cette technique a permis l'évaluation du réseau cellulaire avec une précision plus élevée et de visualiser, pour la première fois en 3D, l'organisation des fibres de collagène. Afin d'obtenir des résultats quantitatifs sur la géométrie du réseau cellulaire, celui doit être segmenté. À cause des limitations de la résolution spatiale, les canalicules apparaissent comme de structures tubulaires très fines (diamètre 1-3 voxels). Ceci, combiné avec le bruit, le faible contraste et la grande taille des images (8Go), rendent la segmentation difficile. Nous proposons une méthode de filtrage non-linéaire 3D, basée sur le rehaussement des structures linéaires, combiné avec un filtrage bilatéral. Cela permet une amélioration de la détection des canalicules, la réduction du bruit de fond et de la préservation des lacunes cellulaires. Pour la segmentation d'images, nous avons développé une méthode basée sur la croissance de région variationnelle. Nous proposons deux expressions de fonctionnelles d'énergie à minimiser, afin de détecter la structure souhaitée. Des résultats quantitatifs préliminaires sont obtenus à partir d’une analyse en composantes connexes sur des échantillons humaines et des observations relatives au réseau ostéocytaire sont présentés. / The osteocytes are the most abundant and longest living bone cells, embedded in the bone matrix. They are interconnected with each other through dendrites, located in slender canals called canaliculi. The osteocyte lacunae, cavities in which the cells are located, together with the canaliculi form a communication network throughout the bone matrix, permitting transport of nutrients, waste and signals. These cells were firstly considered passive, but lately it has become increasingly clear their role as mechanosensory cells and orchestrators of bone remodeling. Despite recent advances in imaging techniques, none of the available methods can provide an adequate 3D assessment of the lacuno-canalicular network (LCN). The aims of this thesis were to achieve 3D imaging of the LCN with synchrotron radiation X-ray computed tomography (SR-CT) and to develop tools for 3D detection and segmentation of this cell network, leading towards automatic quantification of this structure. We demonstrate the feasibility of parallel beam SR-CT to image in 3D the LCN (voxel~300 nm). This technique can provide data on both the morphology of the cell network and the composition of the bone matrix. Compared to the other 3D imaging methods, this enables imaging of tissue covering a number of cell lacunae three orders of magnitude greater, in a simpler and faster way. This makes possible the study of sets of specimens in order to reach biomedical conclusions. Furthermore, we propose the use of divergent holotomography, to image the ultrastructure of bone tissue (voxel~60 nm). The image reconstruction provides phase maps, obtained after the application of a suitable phase retrieval algorithm. This technique permits assessment of the cell network with higher accuracy and it enables the 3D organization of collagen fibres organization in the bone matrix, to be visualized for the first time. In order to obtain quantitative parameters on the geometry of the cell network, this has to be segmented. Due to the limitations in spatial resolution, canaliculi appear as 3D tube-like structures measuring only 1-3 voxels in diameter. This, combined with the noise, the low contrast and the large size of each image (8 GB), makes the segmentation a difficult task. We propose an image enhancement method, based on a 3D line filter combined with bilateral filtering. This enables improvement in canaliculi detection, reduction of the background noise and cell lacunae preservation. For the image segmentation we developed a method based on variational region growing. We propose two expressions for energy functionals to minimize in order to detect the desired structure, based on the 3D line filter map and the original image. Preliminary quantitative results on human femoral samples are obtained based on connected components analysis and a few observations related to the bone cell network and its relation with the bone matrix are presented.