La tendance à la miniaturisation des produits n'est pas sans influence sur l'évolution de leurs moyens de production et d'assemblage. En effet, dû à la réduction d'échelle, l'assemblage de petits composants (appelé microassemblage) est perturbé par les forces de surface comme les forces de capillarité. Ces forces, exercées par le pont liquide reliant manipulateur et composant, sont habituellement négligeables (et négligées) dans l'assemblage conventionnel dominé par les forces de gravité. L'approche originale suivie dans ce travail consiste à tirer parti de ces effets et à les utiliser pour la manipulation de microcomposants, c'est-à-dire de composants dont la taille va de quelques dizaines de microns à quelques millimètres. Ce travail tente donc d'apporter quelques réponses aux problèmes de conception posés par un tel choix: quels sont les avantages d'une telle approche? Comment ces forces `fonctionnent-elles'? Sont-elles suffisamment grandes pour manipuler des microcomposants? Comment, dans ce cas, relâcher le composant? Quel rôle la tension de surface joue-t-elle? En quoi le choix des matériaux est-il important? Comment optimiser la conception du manipulateur? Tout au long de ce travail, le lecteur trouvera un inventaire des principes de manipulation existants, les éléments nécessaires à la modélisation des forces de capillarité, ainsi que la description de la simulation et du banc d'essai développés par l'auteur dans le but d'étudier ces paramètres de conception. Les résultats présentés dans cette thèse recouvrent essentiellement deux thèmes: quelles sont les règles de conception à suivre pour maximiser les forces de capillarité (problème de la préhension) et comment choisir une stratégie de relâche adéquate (problème de la relâche)?

Le diabète mellitus de type I est une maladie de plus en plus abondante. Cette dernière est caractérisée par la destruction auto-immunitaire des îlots de Langerhans incluant les cellules de type [bêta] qui produisent de l'insuline dans le pancréas endocrinien. Une option de traitement pour les patients atteints de cette maladie est notamment une greffe des îlots de Langerhans. Ce traitement est limité dû au nombre restreint de donneurs d'organes et aussi à la perte de fonctionnalité des îlots suite à la greffe. Les études effectuées tout au long de cette thèse ont pour optique d'adresser ces contraintes par le biais de la science des biomatériaux. La thèse débute avec un survol détaillé des concepts de base et des complexités associés aux interactions de type cellules et surfaces trouvées dans la littérature. II s'agit spécifiquement des interactions physiques et chimiques, des systèmes expérimentaux ainsi que des caractérisations et modifications associés aux interactions entre cellules et surfaces. La première étude de nature expérimentale examine la morphogenèse des cellules progénitrices ductales (PANC-1 cell line) vers des îlots qui produisent des agrégats semblables à des îlots (ILA). Le tout est fait sur des surfaces de carboxyméthyl dextrane (CMD) sur lesquelles le RGD est greffé via un lien covalent. L'expression des marqueurs d'lLAs (cytokeratin-19, Ki67, et E-cadherin) qui peuvent être associés à un changement de phénotype de ces cellules a été évaluée ainsi que la sécrétion et l'expression de l'insuline. La seconde étude de nature expérimentale a pour optique l'immobilisation de la fibronectine (FN) sur les mêmes surfaces de CMD mentionnées auparavant sur lesquelles des cellules ayant un phénotype [bêta] (INS-1 cell line) ont proliféré. Lors du processus d'immobilisation, plusieurs solutions ont été étudiées. L'immobilisation de la fibronectine sur des surfaces de CMD a été validée par la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X. Le mécanisme d'immobilisation a été déterminé par imagerie et mesures de force par microscopie à force atomique, la spectroscopie de dichroïsme circulaire ainsi que par la diffusion dynamique de la lumière. De plus, la croissance des cellules de type INS-1 et la sécrétion d'insuline ont été évaluées. La dernière étude de nature expérimentale visait l'étude de la coculture des cellules endothéliales et des îlots de porc dans un gel de fibrine. L'effet de la présence des cellules endothéliales sur la production d'insuline des îlots a été évalué. De plus, l'apoptose cellulaire en coculture a été évaluée et comparée aux cultures simples.

Le contrôle de la friction en régime limite s’effectue par le biais de lubrifiants qui, par l’adsorption de molécules sur les surfaces, réduisent les contacts directs entre aspérités. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de comprendre et de coupler les mécanismes, à la fois, d’adsorption et d’auto-organisation de différents acides gras sur des surfaces, et les mécanismes de friction interfaciale sous des conditions stationnaires et transitoires. L’effet de l’architecture moléculaire, modifiée par la présence et la conformation d’une insaturation dans la chaîne aliphatique des acides gras, a également été analysé. La caractérisation in-situ, à l’échelle moléculaire, a été réalisée avec le tribomètre moléculaire ATLAS développé au LTDS. Cet appareil permet des déplacements quasi-statiques et dynamiques, d’une sphère mise en regard d’un plan, suivant trois axes. Trois solutions d’acides gras, en faible concentration dans du dodécane, ont été analysées. Les déplacements et les forces, normaux et tangentiels, sont mesurés à l’aide de capteurs capacitifs d’une résolution respective de 0.015 nm et 10 nN. Des sollicitations dynamiques superposées permettent de caractériser simultanément la rhéologie de l’interface confinée en termes d’amortissement et de raideur, dans les deux directions. Les résultats montrent que les acides gras s’adsorbent par interaction physique sur les surfaces pour former des films visco-élastiques d’une épaisseur d’environ 15 Å sur chaque surface. Le taux de couverture et la cinétique d’adsorption de ces couches dépendent de l’architecture moléculaire des acides gras. Cette dernière gouverne également la friction interfaciale, qui a été qualifiée de supraglissement, et la rhéologie des monocouches auto-assemblées. Les différentes organisations de films conduisent ainsi à différentes évolutions de la friction en fonction de la vitesse de glissement et de la pression de contact. La réponse en friction transitoire et l’accommodation lors du glissement vers un nouvel état stationnaire ont de plus été décrites par des distances caractéristiques, de plusieurs nanomètres, reflétant le renouvellement statistique des spots de contact, et par des temps de relaxation, de l’ordre de la seconde, décrivant le réarrangement moléculaire au sein de l’interface. Enfin, une modélisation théorique de la friction limite a été proposée afin de comprendre l’origine moléculaire de la friction entre monocouches d’acides gras mettant ainsi en évidence le couplage fort de deux échelles spatiales et temporelles. / Friction in boundary lubrication can be controlled by the adsorption of molecules on surfaces that reduce direct contacts between asperities. In this context, the aim of this thesis is to understand and to couple the mechanisms of adsorption and self-organization of different fatty acids on surfaces, with the mechanisms of interfacial friction under steady-state regime and transient conditions. The effect of the molecular architecture, modified by the presence and conformation of one unsaturation in the aliphatic chain of fatty acids, was also analyzed. In-situ characterization, at the molecular level, was performed with the molecular tribometer ATLAS, developed at LTDS. This apparatus allows quasi-static and dynamic displacements, of a sphere in front of a plane in three directions. Three fatty acids solutions, in low concentration in dodecane, were analyzed. The displacements and the forces, normal and tangential, are measured using capacitive sensors with a resolution of 0.015 nm and 10 nN respectively. Dynamic superimposed measurements allow a simultaneous rheological characterization of the confined interface in terms of damping and stiffness in two directions. The results show that the fatty acids adsorb on the surfaces by weak interactions and form viscoelastic films with a thickness of about 15 Å on each surface. The coverage rate and adsorption kinetics of these layers depend on the molecular architecture of the fatty acids. This architecture also governs interfacial friction, which has been described as superlubricity, and the rheology of self-assembled monolayers. Various film organizations have thus led to different evolutions of the friction as a function of the sliding speed and the contact pressure. The transient friction response and its accommodation during slip to a new stationary state have also been described by characteristic distances of several nanometers, reflecting the statistic average renewal of the contact spots, and by relaxation times of the order of the second, describing the molecular rearrangement within the interface. Finally, theoretical modeling of boundary friction has been proposed to understand the molecular origin of the friction between monolayers of fatty acids and highlight the strong coupling between both spatial and temporal scales.

L'hydrate de méthane est un cristal non-stœchiométrique dans lequel les molécules d'eau forment des cages liées par liaison hydrogène qui piégent des molécules de méthane. Des ressources abondantes en hydrate de méthane peuvent être trouvées sur Terre, en particulier dans les roches poreuses minérales (par exemple, l'argile, le permafrost, les fonds marins, etc.). Pour cette raison, la compréhension de la thermodynamique et de la cinétique de formation de l'hydrate de méthane confiné dans des milieux poreux suscite beaucoup d'attention. Dans cette thèse, nous combinons la modélisation moléculaire et des approches théoriques pour déterminer la thermodynamique et la cinétique de formation de l'hydrate de méthane confiné dans des milieux poreux. Tout d'abord, l'état de l'art en matière de thermodynamique et de cinétique de formation de l'hydrate de méthane est présenté. Deuxièmement, différentes stratégies de simulation moléculaire, y compris des calculs d'énergie libre utilisant l'approche de la molécule d'Einstein, la méthode de coexistence directe et la technique textit{hyperparallel tempering}, sont utilisées pour évaluer la stabilité de l'hydrate de méthane à différentes températures et pressions. Troisièmement, parmi ces stratégies, la méthode de coexistence directe est choisie pour déterminer le déplacement du point de fusion lors du confinement dans des pores, $Delta T_m = T_m^{pore} - T_m^{bulk} $ où $ T_m^{pore}$ et $T_m^{bulk}$ sont les températures de fusion d'hydrate de méthane non confiné et confiné. Nous avons constaté que le confinement diminue la température de fusion, $T_m^{pore} < T_m^{bulk} $. Le changement de température de fusion en utilisant la méthode de la coexistence directe est cohérent avec l'équation de Gibbs-Thompson qui prédit que le décalage de la température de fusion dépend linéairement de l'inverse de la taille des pores, $Delta T_m/T_m^{bulk} sim k_{GT}/ D_p$. La validité quantitative de cette équation thermodynamique classique pour décrire de tels effets de confinement et de surface est également abordée. Les tensions de surface des interfaces hydrate-substrat et eau-substrat sont déterminées à l'aide de la dynamique moléculaire pour valider quantitativement l'équation de Gibbs-Thompson. Des simulations de dynamique moléculaire sont également effectuées pour déterminer les propriétés thermodynamiques importantes de l'hydrate de méthane non confiné et confiné: (a) conductivité thermique $lambda$ en utilisant le formalisme de Green-Kubo et la fonction d'autocorrélation du flux thermique; (b) expansion thermique $alpha_P$ et compressibilité isotherme $kappa_T$. Enfin, des conclusions et perspectives pour des travaux futurs sont présentées. / Methane hydrate is a non-stoichiometric crystal in which water molecules form hydrogen-bonded cages that entrap methane molecules. Abundant methane hydrate resources can be found on Earth, especially trapped in mineral porous rocks (e.g., clay, permafrost, seafloor, etc.). For this reason, understanding the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate confined in porous media is receiving a great deal of attention. In this thesis, we combine computer modeling and theoretical approaches to determine the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate confined in porous media. First, the state-of-the-art on the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate is presented. Second, different molecular simulation strategies, including free energy calculations using the Einstein molecule approach, the direct coexistence method, and the hyperparallel tempering technique, are used to assess the phase stability of bulk methane hydrate at various temperatures and pressures. Third, among these strategies, the direct coexistence method is chosen to determine the shift in melting point upon confinement in pores, $Delta T_m = T_{m}^{pore} - T_{m}^{bulk}$ where $T_m^{pore}$ and $T_m^{bulk}$ are the melting temperatures of bulk and confined methane hydrate. We found that confinement decreases the melting temperature, $T_m^{pore}<T_m^{bulk}$. The shift in melting temperature using the direct coexistence method is consistent with the Gibbs-Thompson equation which predicts that the shift in melting temperature linearly depends on the reciprocal of pore width, i.e., $Delta T_m/T_m^{bulk} sim k_{GB}/D_p$. The quantitative validity of this classical thermodynamic equation to describe such confinement and surface effects is also addressed. The surface tensions of methane hydrate-substrate and liquid water-substrate interfaces are determined using molecular dynamics to quantitatively validate the Gibbs-Thompson equation. Molecular dynamics simulations are also performed to determine important thermodynamic properties of bulk and confined methane hydrate: (a) thermal conductivity $lambda$ using the Green-Kubo formalism and the autocorrelation function of the heat-flux and (b) the thermal expansion $alpha_P$ and isothermal compressibility $kappa_T$. Finally, some conclusions and perspectives for future work are given.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en oeuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élasto-hydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600~nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide.

Cette thèse de doctorat présente une étude expérimentale des propriétés rhéologiques d’électrolytes confinés et de la mécanique des doubles couches électrostatiques.Afin d’étudier simultanément les propriétés d’équilibre et de transport d’électrolytes confinés proches de parois électriquement chargées, nous avons développé un appareil à forces de surfaces dynamique. Cette technique combine à la fois des mesures à l’équilibre, à l’instar des appareils à forces de surfaces classiques, et des mesures dynamiques permettant de caractériser les phénomènes de transport.Nous avons tout d’abord étudié le cas d’électrolytes très dilués. Nous avons montré l’existence d’une sur-dissipation induite par les ions issus des électrolytes par rapport à un comportement newtonien classique. De plus, nous avons mis en évidence un comportement élastique des doubles couches électrostatiques dépendant de la fréquence. Une approche théorique vient compléter et expliquer en partie les résultats expérimentaux.Enfin nous nous sommes intéressés à la dynamique d’électrolytes concentrés : les liquides ioniques. Nous avons étudié l’influence, sur la viscosité et les propriétés du liquide à l’interface solide-liquide, d’un champ électrique intense appliqué perpendiculairement à l’écoulement, comme rencontré dans les super-condensateurs. / This thesis presents an experimental study of rheological properties of confined electrolytes and mechanics of electric double layer.In order to study simultaneously equilibrium and transport of confined electrolytes nearby charged surfaces, we developed a dynamic surface force apparatus. This technique enables both steady state measurements, as provided by common surface forces apparatus, and dynamic measurements that allow characterizing the transport phenomenona.First, we showed the existence of an over-dissipative behavior of weak electrolytes compared to a classical newtonian fluid. Furthermore we highlighted a frequency dependence of the EDL elastic behavior. Alongside, a theoretical approach completes and explains partially the experimental observations.Finally we studied the dynamics of ionic liquid, a type of concentrated electrolytes. We looked at the influence of a huge electric field, applied perpendicularly to the surfaces, on the viscosity and the properties of the liquid nearby the surfaces, as found in super-capacitors.

La compréhension des mécanismes qui pilotent la transmission des contraintes aux interfaces déformables est au centre de nombreuses problématiques touchant des applications actuelles utilisant un film mince de polymère souple comme couche interfaciale. Arriver à caractériser de tels films fins est encore un défi aujourd'hui car l'analyse des mesures expérimentales destinées à extraire les contributions dues aux films est complexe et délicate et les techniques usuelles de caractérisation sont peu adaptées aux systèmes. Ce travail étudie la réponse mécanique de deux types de systèmes modèles au moyen de deux techniques de caractérisation différentes. Le premier système que nous avons élaboré et caractérisé mécaniquement par le test JKR, est constitué de films d'élastomère réticulé d'épaisseurs micrométriques (de 5 à 100µm) et déposés sur des wafers de silicium. Les mesures expérimentales ont été analysées par comparaison à un modèle semi-analytique récent proposé par E. Barthel dans le but d'extraire le module élastique de chaque film et de répondre à la question de savoir si l'épaisseur du film influe sur la valeur de ce module. Nous avons montré que ce modèle permet de rendre compte quantitativement du raidissement lié à la présence d'un solide supportant le film mais que la précision sur les mesures de modules de Young reste limitée (de l'ordre de 35 %).Le deuxième système modèle est constitué de brosses de polymères greffées (PDMS) par une extrémité à la surface de wafers de silicium et gonflées dans un bon solvant (47V20). Nous avons analysé la réponse mécanique dans plusieurs régimes de distance et de fréquence en utilisant un appareil à forces de surface (SFA) dans lequel on contrôle l'approche d'une sphère millimétrique d'un plan sur lequel sont greffées les polymères. En statique, nous avons vérifié que la réponse en compression était celle d'une brosse de type Alexander-de Gennes. En mode dynamique, quand la sphère est loin de la couche gonflée, nous avons vérifié que la réponse dissipative était celle d'un écoulement de Reynolds qui décrit normalement l'écoulement d'un fluide simple newtonien entre une sphère et un plan solide. Ceci nous a permis de montrer que l'écoulement du solvant pénètre partiellement à l'intérieur de la couche greffée sur une profondeur de l'ordre du tiers de l'épaisseur gonflée de la couche. Dans le régime ou les brosses sont comprimées, il n'y a pas d'accord entre les mesures réalisées et le modèle classique de Fredrickson et Pincus. Ceci s'explique par les expériences que nous avons réalisées sur un substrat nu (sans polymère) montrant pour la première fois la déformation des substrats solides qui sont indentés par l'écoulement de liquide et qu'il faut prendre en compte cette déformation dans les analyses de nanorhéologie. Finalement, une annexe est consacrée à la fabrication de surfaces hydrophobes silanisées optimisées en vue d'étudier le glissement d'un liquide simple et d'électrolytes à la paroi.

Ce travail étudie l'influence des propriétés de surface sur l'écoulement limite de liquides<br />simples aux parois solides, à l'aide d'expériences de nanorhéologie réalisées avec<br />une machine à forces de surfaces dynamique. Nous mettons d'abord en évidence l'influence<br />du mouillage sur la condition limite hydrodynamique intrinsèque s'appliquant sur<br />des surfaces lisses à l'échelle nanométrique. Nous montrons en revanche que le glissement<br />interfacial ne dépend pas de la viscosité du liquide. Nous étudions ensuite l'écoulement<br />limite et la friction sur des interfaces complexes d'intérêt biologique solide/bicouche de<br />phospholipides/eau. Enfin nous étudions l'écoulement de mélanges eau-glycérol sur des<br />surfaces texturées et superhydrophobes. Nous mesurons à distance les propriétés élastiques<br />de ces surfaces dues aux poches de gaz piégées. Nous montrons que contrairement<br />à une idée répandue, ces poches de gaz ne sont pas toujours lubrifiantes et peuvent<br />augmenter significativement la friction interfaciale.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en œuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élastohydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600 nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide / This work addresses how the measurement of hydrodynamic forces of a liquid confined between a sphere and a surface of interest can lead to probe at a distance and without contact her mechanical properties. Firstly, we introduce this original technique of fluid probe and the dynamic Surface Force Apparatus used to perform these nanorheology experiments. Then, we present two applications for which the fluid probe can be of great importance. The first application is the study of friction properties of lipid bilayers. More particularly we measure very weak fluid friction coefficients on some fluid bilayers, which can be an important issue for biolubrication. The second application is the study of elastic properties of thin elastomer layers. For that we first develop an elasto-hydrodynamic theory for sphere-plan configuration in dynamic mode. Then, we present experimental results in very good agreement with this theory. We are able to measure the Young modulus of thin PDMS films of thickness as small as 600 nm. Finally, we present instrumental developments performed on the Surface Force Apparatus to optimize its potential as fluid probe

La tendance à la miniaturisation des produits n'est pas sans influence sur l'évolution de leurs moyens de production et d'assemblage. En effet, dû à la réduction d'échelle, l'assemblage de petits composants (appelé microassemblage) est perturbé par les forces de surface comme les forces de capillarité. Ces forces, exercées par le pont liquide reliant manipulateur et composant, sont habituellement négligeables (et négligées) dans l'assemblage conventionnel dominé par les forces de gravité. L'approche originale suivie dans ce travail consiste à tirer parti de ces effets et à les utiliser pour la manipulation de microcomposants, c'est-à-dire de composants dont la taille va de quelques dizaines de microns à quelques millimètres. Ce travail tente donc d'apporter quelques réponses aux problèmes de conception posés par un tel choix: quels sont les avantages d'une telle approche? Comment ces forces `fonctionnent-elles'? Sont-elles suffisamment grandes pour manipuler des microcomposants? Comment, dans ce cas, relâcher le composant? Quel rôle la tension de surface joue-t-elle? En quoi le choix des matériaux est-il important? Comment optimiser la conception du manipulateur? Tout au long de ce travail, le lecteur trouvera un inventaire des principes de manipulation existants, les éléments nécessaires à la modélisation des forces de capillarité, ainsi que la description de la simulation et du banc d'essai développés par l'auteur dans le but d'étudier ces paramètres de conception. Les résultats présentés dans cette thèse recouvrent essentiellement deux thèmes: quelles sont les règles de conception à suivre pour maximiser les forces de capillarité (problème de la préhension) et comment choisir une stratégie de relâche adéquate (problème de la relâche)? / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished