La théorie de la rigidité permet de prédire les comportements de nombreuses propriétés de verres, que ce soit avec la composition, la température ou la pression, tout en réduisant la structure de ceux-ci à un simple critère mécanique : flexible, isostatique ou rigide sur-contraint. Des travaux récents ont mis en évidence l'utilité d'une telle analyse, tant de manière expérimentale que théorique. Dans cette thèse, nous appliquons une méthode d'établissement de contraintes à partir de simulations par dynamique moléculaire, afin d'explorer la rigidité dans différentes conditions de température, pression ou composition pour des verres ayant des potentiels d'application. Cet algorithme de dénombrement de contraintes, radiales ou angulaires, nous a permis de définir des zones de compositions particulières dans les verres d'oxydes, avec une compréhension différente de la structure et des contraintes entourant les ions dans la silice. Par la suite, nous avons aussi pu montrer des effets topologiques faibles des gaz nobles dans la silice, et relier les anomalies dynamiques observées dans la silice sous pression à des conditions de rigidité du réseau. / Rigidity theory allows to predict the behavior of many properties of glasses with respect to composition, while considering the underlying network as simple mechanical trusses that can be flexible, isostatic or stressed-rigid. Some recent works showed how useful such an analysis can be, either theoretically or experimentally. In the thesis we will use a method to analyse topological constraints from molecular dynamics simulations in order to establish the rigidity of silica systems of interest under various conditions of composition, pressure and temperature. Applying this constraints counting algorithm to radial and angular constraints in soda-lime systems allowed us to establish composition intervals of isostatic properties while giving a novel comprehension of the constraints and the structure surrounding the ions. We later highlight the faint influence of noble gases atoms upon silica when melted in the bulk. That study also allowed us to link dynamical anomalies of silica under pressure to rigidity changes of the network.

Le rapport isotopique de l'hélium atmosphérique (RA = 3He/4He = 1.39 × 10-6) est lié aux flux naturels et anthropiques de 3He et de 4He en provenance de la Terre (et de l'espace pour 3He). Les activités industrielles ont émis des gaz riches en 4He radiogénique (exploitation des combustibles fossiles) et en 3He (activités nucléaires). Du fait de ces flux d'hélium, il a été proposé que le rapport 3He/4He dans l'air a varié dans le temps et dans l'espace. De telles variations pourraient permettre l'utilisation de ce rapport comme nouveau traceur des émissions atmosphériques de polluants anthropiques et/ou naturelles. Pour vérifier ces possibilités, nous avons entrepris la mesure haute-précision (2-6‰, 2σ) de la composition isotopique de l'hélium atmosphérique au Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques (Université de Lorraine et Centre National de la Recherche Scientifique, Vandoeuvre-lès-Nancy, France). Nous avons effectué des analyses d'intercalation avec un spectromètre de masse double collecteur (Helix Split Flight Tube de la société Thermo Instruments). Au cours de ces analyses, plusieurs analyses individuelles d'un échantillon d'air sont effectuées en alternance avec un standard d'air. Nous n’avons détecté aucune évidence de variation temporelle du rapport 3He/4He dans l’air de France piégé dans des boules de pétanque (1965, 1990, 2010, 2013), dans des réservoirs métalliques (2010, 2016) et dans un carburateur de voiture (1910). Nous avons également re-analysé des échantillons d'air ancien prélevés dans des réservoirs métalliques depuis 1978 à Cape Grim (Tasmanie, Australie). En incluant les mesures de Mabry et al. (2015) pour certains de ces réservoirs, nous obtenons une tendance commune de -0.05 ± 2.46 ‰, montrant l'absence de variation statistiquement significative sur une période de 106 ans. Au niveau mondial, nous avons seulement détecté deux échantillons d’air sur seize (Dôme C, Antarctique; Tokyo, Japon) dont les compositions sont statistiquement distinctes, marquées par des excès en 3He de 2.0 ± 1.4 ‰, et 1.7 ± 1.5 ‰, respectivement (intervalle de confiance de 95%). Ces excès pourraient être liés aux flux d’hélium locaux par : (i) les précipitations aurorales en Antarctique ; (ii) les volcans et/ou les déchets nucléaires (Fukushima Daï-Ichi) au Japon. Dans la région de l’Afar (Éthiopie), nous avons détecté des excès en 3He de ~1 % au-dessus du lac de lave du volcan Erta Ale, pouvant être utilisés pour tracer des gaz réactifs (e.g. CO2) simultanément émis. Ces excès sont toutefois rapidement dilués dans les masses d’air régionales. L'isolation des gaz libérés par le sol du cratère de l'Erta Ale à l'aide d'un contenant inversé placé à sa surface a permis d'évaluer les flux diffusifs en 3He (via l'augmentation du rapport 3He/4He dans l'air isolé) et en CO2. Globalement, cette thèse conforte l’utilisation de RA comme standard inter-laboratoire. Dans certaines régions (Dôme C, Japon), une investigation plus poussée dans le temps devrait être effectuée pour contraindre les sources d’hélium atmosphérique pouvant engendrer de faibles variations locales / The helium isotopic composition of air (RA = 3He/4He = 1.39 × 10-6) is related to the natural and anthropogenic fluxes of 3He and 4He from the Earth (and from space for 3He). Industrial activities emit gases enriched in radiogenic 4He (exploitation of fossil fuels) and in 3He (nuclear activities). It has been proposed that the 3He/4He ratio in air has varied over time and also spatially because of these helium fluxes. Such variations could allow the use of this ratio as a new tracer of anthropogenic and/or natural pollutants. To verify these possibilities, we undertook high-precision measurements of the composition of atmospheric helium (2-6‰, 2σ) at the Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques (University of Lorraine, Centre National de Recherche Scientique, Vandoeuvre-lès-Nancy, France). We performed sample-standard bracketing analyses with a double collector Helix SFT Mass Spectrometer. During each of these analyses, several individual analyses of an air sample are conducted in alternation with an air standard. We found no evidence of temporal variation of the 3He/4He ratio in French air trapped in petanque balls (1965, 1990, 2010, 2013), metallic tanks (2010, 2016) and in a carburettor (1910). Including the measurements of Mabry et al. (2015) for the Cape Grim air archive (Tasmania, Australia), we obtained a trend of -0.05 ± 2.46‰ over 106 years. At the global level, we only detected two air samples out of sixteen (Dôme C-Antarctica, Tokyo-Japan) whose compositions are statistically distinct, marked by 3He excesses of 2.0 ± 1.4‰, and 1.7 ± 1.5‰, respectively (95% confidence interval). These excesses could be related to local and regional helium fluxes input such as: (i) auroral precipitation in Antarctica; (ii) volcanoes and/or nuclear releases (Fukushima Daï-Ichi) in Japan. In the Afar region (Ethiopia), we detected 3He excesses of ~1% above the lava lake of the Erta Ale volcano, which can be used to trace reactive gases (e.g. CO2) released simultaneously. These excesses are quickly affected by air mixing with the regional air of Afar. The diffusive soil fluxes of 3He (via increase of the 3He/4He ratio) and CO2 have been estimated from the accumulation of gases released from the soil of the Erta Ale crater in an inverted chamber placed on its surface. Overall, this thesis supports the use of RA as an inter-laboratory standard. In some areas (Dôme C, Japon), a more thorough investigation should be carried out over time to constrain the sources that may cause small helium isotopic variations in air

Dans le contexte des écoulements micro- et nano-fluidiques, ce travail porte sur l'étude des interactions à l'interface entre des flux de gaz rares et des surfaces métalliques via une approche de modélisation multi-physique et multi-échelle. Elle se concentre tout particulièrement sur l'interaction entre l'argon et une surface d'or. Pour ce faire la modélisation a été effectuée en deux étapes, une première partie utilisant la mécanique quantique à l'échelle atomique et une deuxième partie de dynamique moléculaire à l'échelle nanométrique. La première partie est consacrée à l'obtention de potentiels d'interaction entre un atome d'argon et les atomes d'or de la surface par des méthodes de calculs théoriques basés sur la DFT comportant des effets à longues distances. Deux approches, donnant des résultats comparables, ont été utilisées : la première est liée à la description périodique de la surface d'or par un modèle basé sur la description des électrons par des ondes planes alors que la seconde permet de récupérer séparément les parties répulsives et attractives de l'interaction d'un atome d'argon avec un petit cluster d'or. Ces potentiels d'interactions ont été décomposés en potentiels de paires Ar-Au utilisables par des simulations de dynamique moléculaire. Ces simulations ont consisté en la projection d'atomes d'argon sur des surfaces d'or ‘parfaites' dites lisses ou des surfaces rugueuses plus représentatives de la technologie actuelle. L'analyse statistique des vitesses réfléchies permet de déterminer le coefficient d'accommodation tangentiel de l'argon sur des surfaces d'or. Ce coefficient est la traduction du phénomène de glissement qui peut ainsi être modélisé dans une description plus macroscopique de l'écoulement d'un gaz dans une micro-conduite. L'approche multi-physique utilisée dans ce travail a permis la détermination numérique de coefficients d'accommodations tangentiels très précis et comparables à l'expérience pour le couple argon-or, et doit pouvoir être appliquée à d'autres couples / In the context of micro- and nano-flows, this work concentrates on the study of interactions at the interface of noble gas and metal surfaces by a multi-physics and multiscale model. Particularly, the interaction of an argon atom with a gold surface is the focus of the study. The work has been made in two steps: the first one occurred at the atomic scale in which Quantum Mechanics is employed and the second one at the nanoscale with the use of Molecular Dynamics.The first part of the work was devoted to the determination of interaction potentials between an argon atom and gold atoms from the surface by DFT calculation methods comporting long range effects. Two approaches, leading similar results, have been used: the first one is linked to a periodic description of the gold surface where electrons are defined by plane waves, the second one gives independently repulsive and attractive parts of the interaction of an argon atom with a small gold cluster. Those interaction potentials are then decomposed in pair potentials suitable for Molecular Dynamics simulations. These last ones consisted in multiple times projecting argon atoms on smooth or rough gold surfaces (which are more representative of the roughness of actual technologies). The statistical analysis of the reflected velocities yielded the tangential momentum accommodation (TMAC) coefficient of argon on gold surfaces. This coefficient is the transcription of slip phenomena which occur at the interface, and it can then be used in nano-flow simulations. The multi-physics approach of the thesis gives accurate TMAC values which are comparable to experiments. The accounted method could then be applied to other noble gas metal surface couples

Dans le contexte des écoulements micro- et nano-fluidiques, ce travail porte sur l'étude des interactions à l'interface entre des flux de gaz rares et des surfaces métalliques via une approche de modélisation multi-physique et multi-échelle. Elle se concentre tout particulièrement sur l'interaction entre l'argon et une surface d'or. Pour ce faire la modélisation a été effectuée en deux étapes, une première partie utilisant la mécanique quantique à l'échelle atomique et une deuxième partie de dynamique moléculaire à l'échelle nanométrique. La première partie est consacrée à l'obtention de potentiels d'interaction entre un atome d'argon et les atomes d'or de la surface par des méthodes de calculs théoriques basés sur la DFT comportant des effets à longues distances. Deux approches, donnant des résultats comparables, ont été utilisées : la première est liée à la description périodique de la surface d'or par un modèle basé sur la description des électrons par des ondes planes alors que la seconde permet de récupérer séparément les parties répulsives et attractives de l'interaction d'un atome d'argon avec un petit cluster d'or. Ces potentiels d'interactions ont été décomposés en potentiels de paires Ar-Au utilisables par des simulations de dynamique moléculaire. Ces simulations ont consisté en la projection d'atomes d'argon sur des surfaces d'or ‘parfaites' dites lisses ou des surfaces rugueuses plus représentatives de la technologie actuelle. L'analyse statistique des vitesses réfléchies permet de déterminer le coefficient d'accommodation tangentiel de l'argon sur des surfaces d'or. Ce coefficient est la traduction du phénomène de glissement qui peut ainsi être modélisé dans une description plus macroscopique de l'écoulement d'un gaz dans une micro-conduite. L'approche multi-physique utilisée dans ce travail a permis la détermination numérique de coefficients d'accommodations tangentiels très précis et comparables à l'expérience pour le couple argon-or, et doit pouvoir être appliquée à d'autres couples / In the context of micro- and nano-flows, this work concentrates on the study of interactions at the interface of noble gas and metal surfaces by a multi-physics and multiscale model. Particularly, the interaction of an argon atom with a gold surface is the focus of the study. The work has been made in two steps: the first one occurred at the atomic scale in which Quantum Mechanics is employed and the second one at the nanoscale with the use of Molecular Dynamics.The first part of the work was devoted to the determination of interaction potentials between an argon atom and gold atoms from the surface by DFT calculation methods comporting long range effects. Two approaches, leading similar results, have been used: the first one is linked to a periodic description of the gold surface where electrons are defined by plane waves, the second one gives independently repulsive and attractive parts of the interaction of an argon atom with a small gold cluster. Those interaction potentials are then decomposed in pair potentials suitable for Molecular Dynamics simulations. These last ones consisted in multiple times projecting argon atoms on smooth or rough gold surfaces (which are more representative of the roughness of actual technologies). The statistical analysis of the reflected velocities yielded the tangential momentum accommodation (TMAC) coefficient of argon on gold surfaces. This coefficient is the transcription of slip phenomena which occur at the interface, and it can then be used in nano-flow simulations. The multi-physics approach of the thesis gives accurate TMAC values which are comparable to experiments. The accounted method could then be applied to other noble gas metal surface couples

Introduction : Partant du constat qu'il est possible de conserver plus longtemps les denrées alimentaires grâce à un conditionnement sous atmosphère modifiée enrichie en gaz nobles, nous avons développé une stratégie innovante de conservation de transplants rénaux. Nous avons évalué l'effet protecteur d'une solution de conservation saturée en gaz nobles pour la préservation des transplants rénaux.Matériels et méthodes : Dans un modèle d'autotransplantation rénale hétérotopique chez le porc, les transplants prélevés ont été rincés et mis en conservation 30h à 4°C dans du Celsior présaturée en gaz (air, azote, argon 100% ou xénon 100%, n=6 dans chaque groupe) avant transplantation. Les porcs ont été surveillés quotidiennement pendant 21 j.Résultats : L'argon a amélioré la survie (83,3% vs 33,3% avec l'Air, p=0,04) et la reprise de fonction du transplant. Une sortie de tubulopathie significativement plus précoce des transplants a été observé avec l'Argon. Tous les porcs xénon et azote sont décédés. A J21 les transplants argon avaient une meilleure préservation de leur intégrité structurelle cellulaire avec moins d'inflammation, de fibrose interstitielle et d'atrophie tubulaire. Les rapports RAA/TBARS, et d'Hsp 27, étaient significativement plus élevés avec l'argon. Les taux de TNF alpha, Il 6 et 8 ont montré une diminution de la réponse inflammatoire avec l'argon.Conclusion : Nous avons démontré l'effet bénéfique de l'argon sur la reprise précoce de fonction de transplant et en limitant les lésions d'ischémie-reperfusion. Bien que le mécanisme d'action de l'Argon ne soit pas élucidé, il semble que Hsp 27 soit un élément central de la renoprotection. / Introduction: Based on prolonged preservation of perishable food products under modified atmosphere, we developed an innovative method to preserve kidneys during transplantation using nobles gases. We evaluated the protective effect of argon and xenon on preserving kidney graft functionality and integrity in a clinically relevant pig model of transplantation. Methods: The left kidneys of pigs (n=6 per group) were removed, flushed and stored for 30 h in Celsior solution saturated with air, nitrogen, 100% argon, or 100% xenon. Next, autotransplantation and controlateral nephrectomy were performed. The survival rate, renal function, Hsp27, thiobarbituric acid (TBARS), reduced ascorbic acid (RAA), and TNF alpha were analyzed. A histological examination was completed.Results: Argon improved survival (83.3% for argon vs 33.3% for air, p=0.04) and transplant function recovery. All pigs in the nitrogen and the xenon group died. Diuresis recovery occurred earlier in the argon group (n= 5) when compared with the air group (n=2), p=0.05. On day 7 argon transplants had lower serum creatinine levels and a large reduction in primary non function than the air group. Argon-treated tissues showed better cell structural integrity with minor signs of inflammation, fibrosis, and tubular atrophy. The argon group showed significantly higher RAA/TBARS ratios and Hsp27 levels.Conclusion: We demonstrated that modified atmosphere preservation packaging with argon in cold-storage solution improved early transplant function recovery and long-term quality by minimizing IRI in a pig model of prolonged cold-ischemia. The renoprotective effect of argon may involve the Hsp27 pathway.

Depuis plus d’un siècle, les changements globaux sont à l’origine de profondes modifications de nos sociétés, nos modes de vie et il en va bien sûr de même pour notre environnement. Cette trajectoire empruntée, bon gré mal gré, par l’ensemble de l’humanité n’est pas sans conséquences pour les systèmes naturels et semble déjà mener les générations futures au-devant de grands défis. Afin de ne pas compromettre notre capacité à relever ces épreuves futures et, devant l’urgence du besoin d’action, une partie de la communauté scientifique a choisi de concentrer ses efforts sur la couche superficielle de notre planète qui soutient la vie terrestre : la Zone Critique. L’émergence de ce concept souligne la nécessité de développer des approches scientifiques pluridisciplinaires intégrant une large variété d’échelles de temps et d’espace. En tant que lien entre les différents compartiments de la Zone Critique (Atmosphère, Biosphère, Hydrosphère, Lithosphère et Pédosphère), l’eau est une molécule essentielle aux échanges d’énergie et de matière dont la dynamique requiert une attention particulière. Compte tenu de la diversité et de la variabilité spatiotemporelle des transferts d’eau et de matière dissoute dans les milieux aquatiques, de nouvelles méthodes d'investigations sont nécessaires. L'objectif général de cette thèse est de décrire l’intérêt et le potentiel qui résident dans l’utilisation des gaz dissous, en particulier lorsqu’ils sont mesurés à haute fréquence sur le terrain, afin de caractériser la dynamique hydrobiogéochimique des eaux naturelles de la Zone Critique à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour parfaire cette ambition, ce travail s’est tout d’abord attaché au développement d'une instrumentation innovante puis, à la mise en place de nouveaux traceurs intégrés dans des dispositifs expérimentaux originaux et enfin, à l'acquisition, au traitement et à l'analyse de différents jeux de données de gaz dissous en se focalisant sur les eaux souterraines. / For more than a century, global change has led to a profound modification of our societies, our lifestyles and, of course, our environment. This trajectory followed willy-nilly by all mankind has consequences for natural systems and already seems to lead the future generations ahead of serious challenges. In order not to compromise our ability to meet these future ordeals, and because of the urgent need for action, part of the scientific community has chosen to concentrate on the near-surface environment that supports terrestrial life: the Critical Zone. The emergence of this concept underlines the need to develop multidisciplinary scientific approaches integrating a wide variety of temporal and spatial scales. As the link between the different compartments of the Critical Zone (Atmosphere, Biosphere, Hydrosphere, Lithosphere and Pedosphere), water is an essential molecule controlling the exchanges of energy and matter whose dynamics require special attention. In view of the diversity and spatiotemporal variability of water and matter transfers arising in aquatic environments, new methods of investigation are needed. The general objective of this thesis is to describe the interest and the potential lying in the use of dissolved gases, especially when they are measured at high frequency in the field, in order to characterise the hydrobiogeochemical dynamics of the natural waters of the Critical Zone at different spatial and temporal scales. To perfect this ambition, this work focused first on the development of an innovative instrumentation, then, on the implementation of novel tracers integrated into original experimental setups and finally, on the acquisition, processing and analysis of different dissolved gas datasets focusing on groundwater.