La possibilité d'induire une susceptibilité non-linéaire d'ordre deux dans les verres a été démontrée en 1991 sur des verres de silice, par la méthode du poling thermique. La susceptibilité créée reste cependant peu élevée. Dans le cadre de cette thèse, notre intérêt s'est porté sur un verre à base d'oxydes de lanthane, bore et germanium (LBG), dont les propriétés optiques laissaient entrevoir de grandes possibilités. Des dispositifs expérimentaux ont été développés au cours de ce travail afin de créer et de caractériser l'anisotropie induite dans le verre LBG par poling thermique. Les effets d'irradiation laser UV nano-secondes en vue de l'inscription de guides d'onde sont également étudiés. La possibilité de changer localement l'indice de réfraction et la structure du verre nous a conduit à étudier pour la première fois le comportement de ce verre sous pression. Le verre comprimé en cellule à enclumes diamant est étudié in situ par spectroscopies Raman et d'absorption des rayons X (XAS). Nous mettons à jour un comportement singulier de ce verre sous pression par diffusion Raman : des cycles d'hystérésis ouverts ou fermés, peuvent être décrits et montrent une évolution non monotone d'une bande Raman en fonction de la pression. Les mesures XAS confirment un changement de coordinence partiellement irreversible du germa- nium. Si la pression appliquée est suffisamment élevée, les changements structuraux induits sont permanents et stables à pression atmosphérique.

La soie est un biopolymère synthétisé par certains arthropodes. Cette fibre est constituée de protéines arrangées en une microstructure semi-cristalline et possède d'intéressantes propriétés mécaniques. L'axe principal de ce travail de thèse concerne la compréhension du processus de formation de la fibre de soie. La soie de Bombyx mori a été choisi comme modèle. Sa protéine, nommée Fibroïne, a été utilisée pour produire une fibre dans une cellule microfluidique construite pour mimer l'appareil de filage du ver à soie. Le processus de formation de la soie a été suivi par des techniques de diffusion des rayons X (SAXS et WAXS) et par spectroscopie Raman. Elle débute par une étape d'agrégation. La taille des agrégats est de l'ordre de 100 nm. Dans ces particules, la Fibroïne est sous une forme compactée. Cette agrégation est suivie d'une phase de compaction des agrégats. Plus tard, à une échelle de temps de quelques heures, la Fibroïne subit une transition conformationnelle depuis une structure principalement amorphe (Silk I) vers la structure caractéristique de la soie naturelle (Silk II). Ce processus est proposé comme un modèle de la formation de la fibre de soie in vivo. Le second axe de ce travail est orienté vers la connaissance des propriétés physiques de la soie naturelle de B. mori. Sa résistance aux hautes températures est étudiée d'un point de vue structural, moléculaire et mécanique. L'effet des hautes pressions sur la structure de la fibre de soie est aussi présentée.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'évolution du graphite intercalé avec des atomes alcalins (Li, Rb et Cs) sous haute pression et haute température, procédé susceptible de conduire aux clathrates de carbone, matériaux formés de nano-cages de type sp3 aux propriétés mécaniques proches du diamant et potentiellement supraconducteur à haute température. L'évolution complexe des propriétés structurales et électroniques sous pression des composés CsC8 et RbC8 a été mise en évidence grâce à l'utilisation de sondes locales (spectroscopies d'absoprtion X et Raman) et de sondes à longue distance (diffraction de rayons X et de neutrons). Des nouvelles informations jusqu'à 32 GPa et 16 GPa portant sur le transfert de charge, l'équation d'état, les transitions structurales de CsC8 et RbC8 respectivemement sont apportées. Des calculs ab initio réalisés sur ces clathrates de carbone afin d'étudier leur stabilité ainsi que leurs propriétés sous pression ont permis d'obtenir des indications concernant leur synthèse.

L'un des objectifs de ce travail était de définir les critères physico-chimiques (structure, valence mixte, liaisons chimiques et environnements locaux...) susceptibles d'induire, au sein d'un réseau oxygène, un comportement supraconducteur. La pression d'oxygène générant une valence mixte, l'étude du comportement structural et électrique de La2CuO4 a été entreprise dans de telles conditions. Afin de corréler la transition métal-semiconducteur au phénomène de supraconduction, l'investigation du système La1-xYxCuO3 (x<0,20) a été menée. Dans un souci d'élargir cette étude aux éléments de transition de la 3ème série, quelques oxydes bidimensionnels de Au(III) ont été préparés et caractérisés.

Les nitrures d'éléments III sont des semi-conducteurs dont l'émission optique suscite un grand intérêt en vue des applications optoélectroniques. Nous avons analysé leurs propriétés optiques, vibrationnelles, électroniques et cristallographiques, notamment par le biais de la spectroscopie Raman. Les systèmes typiques que nous avons examinés correspondent à l'état de l'art de la croissance des différents composés de la famille des nitrures d'éléments III : nous avons considéré des îlots et films micrométriques d'InN, ainsi que des hétérostructures (super-réseaux et boîtes quantiques) à base de GaN et d'AlN.<br />L'étude présentée porte en particulier sur les processus de relaxation des contraintes dans les îlots et les boîtes quantiques, ainsi que sur les mécanismes de diffusion inélastique de la lumière dans InN et la dynamique de réseau dans les nanostructures. Ce travail est fortement marqué par les aspects expérimentaux, et une part importante de ce manuscrit est consacrée aux résultats obtenus sous haute pression.

Ce travail est dédié à la compréhension du comportement mécanique des verres silicates à micro-échelle. Il est consacré à l'étude de la densification permanente des verres silicates et aux changements structuraux induits par différents méthodes. D'abord la densification par presse « Belt » en fonction de la température et de la pression est étudiée. Une inhomogénéité macroscopique à l'échelle de l'échantillon dépendant de la température et de la pression est observée. Ces observations sont interprétées par une diminution de la viscosité du verre avec la pression. Ensuite, une étude dans le domaine plastique du verre de silice par différents techniques « hautes pressions » est réalisée. Des modifications structurales sont observées durant la compression, en particulier une diminution de l'angle Si-O-Si intertétraèdre et une augmentation des petits cycles à 3 trétraèdres. De plus, il est montré que dans une compression hydrostatique la limite élasto-plastique d'un verre de silice prédensifiée ne dépend pas du chemin de densification. Le comportement du verre de silice prédensifié puis indenté évolue d'un verre anormal, vers un verre normal à mesure que la densité augmente. Enfin, l'indentation d'un verre silico-sodo-calcique sous indentation Vickers montre que la cartographie de la densification est similaire pour les deux charges (1 et 2 Kg) et que la distribution de la densification n'est pas affectée par la préparation des échantillons. Ces résultats sont comparés avec des résultats numériques obtenus par modélisation par éléments finis / This work was dedicated to the comprehension of mechanical behavior of silica glass at micro scale. It is focused on the study of the permanent densification of silica glass and structural changes induced by different methods. First, “Belt” densification is studied as a function of temperature and pressure. A macroscopic inhomogeneity at the sample scale was observed and it was dependent upon temperature. These observations were due to glass viscosity decrease with pressure. The plastic domain of silica glass with different “high pressure” techniques was analyzed. Structural modifications were observed during compression especially as Si-O-Si intertetrahedral angle decrease and an increase of small rings. Furthermore, it is demonstrated that during a hydrostatic compression, the elasto-plastic limit of predensified silica glass does not depend on densification path. We observed that the behavior of the predensified and indented silica glass evolves from normal to abnormal glass when density increases. Finally, the Vickers indentation of sodo-lime-silicate glass shows that densification cartography is similar for the two charges (1 and 2 Kg) and that densification distribution was not affected by sample preparation method. These results were compared with numerical calculations obtained by finite element modeling

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet FONGEOSEC, qui vise à développer la filière de la géothermie profonde en France avec la conception d’un démonstrateur d’une centrale de production d’énergie géothermique dans le bassin Rhénan. Ce projet est piloté par Fonroche Géothermie, qui gère un consortium de plus de dix acteurs du milieu académique et industriel. Le financement du projet est réalisé avec participation de l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME). Ainsi, les travaux exposés dans ce document se sont intéressés à la caractérisation thermodynamique des fluides géothermaux (saumures chaudes contenant des gaz dissous) de la région ciblée par le projet. Il est nécessaire de déterminer la solubilité de chacun des gaz dissous dans ces saumures aux conditions de pression, température et salinité de l’exploitation géothermique. Des modèles thermodynamiques de prévision des équilibres entre phases liquide et vapeur peuvent être utilisés pour estimer ces solubilités. Néanmoins, en absence des mesures expérimentales dans les conditions de pression, température et salinité d’intérêt, pour effectuer la régression de paramètres de ces modèles, il sera difficile d’obtenir avec précision ces solubilités à partir de simulations. Ainsi, cette thèse est centrée sur l’étude expérimentale des solubilités des gaz dans des saumures représentatives des fluides du bassin Rhénan. La gamme de pression de FONGEOSEC va de 6.0 MPa à 40.0 MPa pour des températures de 333.15 K et 453.15 K. Le dispositif expérimental utilisé dans cette thèse fonctionne dans ces conditions. Les gaz dissous dans les saumures visées par le projet sont constitués essentiellement de dioxyde de carbone (CO2), puis d’azote (N2) et enfin de méthane (CH4) en plus faibles quantités. Les sels dissous dans ces fluides sont surtout du chlorure de sodium et du chlorure de calcium, à molalité de 1.2 mol NaCl-0.2 mol CaCl2.Kg H2O-1. Dans cette thèse, nous avons effectué la détermination expérimentale de la solubilité du dioxyde de carbone dans des saumures typiques du bassin Rhénan aux conditions de pression et de température du projet FONGEOSEC. Des réflexions sont proposées quant à une méthodologie d’analyse de solubilité du méthane et de l’azote dans des phases aqueuses. Nous observons aussi que dans les conditions de pression et température de fond du puits, la solubilité du dioxyde de carbone dans les saumures typiques du bassin Rhénan est la plus élevée parmi toutes les conditions caractérisées. Une étude du sating-out effect dans ces saumures est également proposée dans cette thèse. Enfin, il est remarqué que le modèle de Pitzer (Pitzer.dat sur PhreeqC) semble prédire de façon correcte nos mesures expérimentales à 333.15 K, mais il perd son efficacité à 453.15 K. Dans cette condition, le modèle E-NRTL (Simulis®) semblerait être plus approprié. / This thesis was part of the FONGEOSEC project, which aims to develop the deep geothermal energy sector in France through the the design of a geothermal power pilot plant on the Upper Rhine Graben. This project is controled by Fonroche Géothermie, which manages a consortitium of more than ten academic and industrial partners. The French Environment & Energy Management Agency (ADEME) participates at the fundings of the project.Therefore, the work exposed in this document concerns the thermodynamic characterisation of geothermal fluids (hot brines containing dissolved gases) from the target region of this project. It is thus necessary to determine the solubility of each gas dissolved in these brines at the pressure, temperature and salinity conditions of geothermal energy exploitation.Thermodynamic models that predict liquid-vapour phase equilibrium can be used to estimate these solubilities. However, if there is a lack of experimental measures on the pressure, temperature and salinity conditions of interest, it will not be possible to regress these models interaction parameters and, therefore, it will be difficult to have precise solubility results from these thermodynamic simulations. Thus, this thesis has focused on the experimental study of gas solubilities in brines representing the Upper Rhine Graben fluids. The pressure range of the FONGEOSEC project goes from 6.0 MPa to 40.0 MPa for temperatures of 333.15 K and 453.15 K. The experimental setup used on this thesis can operate at these conditions. Dissolved gases in the brines concerned by this project are mainly composed by carbon dioxyde (CO2), and then by nitrgen (N2) and methane (CH4) at lower quantitites. Dissolved salts in these fluids are basically chloride sodium and chloride calcium, at molalities of 1.2 mol NaCl-0.2 mol CaCl2.Kg H2O-1.On the scope of this thesis, we have performed the experimental determination of carbon dioxyde solubility in Upper Rhine Graben-type brines at the pressure and temperature conditions of the FONGEOSEC project. We propose a discussion about an analysis methodology for measuring nitrogen and methane solubility in aqueous phases. We also observed that at the pressure and temperature conditions found at the bottom of the production well, carbon dioxyde solubility in the Upper Rhine Graben-type brines reaches its highest value among all the conditions studied in this thesis. A salting-out effect study in these brines is also proposed in this document. Finally, it is noticed that the Pitzer model (Pitzer.dat at PhreeqC) seems to predict properly our experimental data at 333.15 K, but it is less efficient at 453.15 K. In this condition, the E-NRTL model (Simulis®) seems to be more appropriate.

Les éléments volatils libérés de la plaque plongeante lors de la subduction jouent un rôle fondamental durant la formation des magmas d'arc dans le coin mantellique. Depuis quelques années, les développements des techniques d'analyse par sonde ionique ont permis l'analyse de ces éléments, en particulier F et Cl, dans les magmas d'arc, et notamment dans les magmas d'arc primaires grâce aux avancées des études sur les inclusions magmatiques. Une récente étude des inclusions magmatiques du Mont Shasta (E. U.) (Le Voyer et al., 2010) a montré que le fractionnement du F et du Cl apportait des informations sur la genèse des magmas d'arc. Afin de caractériser la source de ces magmas, j'ai étudié les coefficients de partage du fluor et du chlore. Dans cette étude, je présente les premiers coefficients de partage du F et du Cl, entre des liquides de fusions silicatés anhydres et hydratés et des minéraux mantelliques tels que olivine, orthopyroxène, clinopyroxène, plagioclase, grenat ainsi que pargasite et phlogopite. Les valeurs sont issues de 300 mesures dans 24 expériences de fusion, réalisées entre 8 et 25 kbars et, 1180 et 1430˚C. Les faibles concentrations en F et Cl dans les minéraux ont été analysées par la sonde ionique Cameca IMF 1280 de WHOI en utilisant le mode d'ions secondaires négatifs. Les résultats montrent que DOpx/meltF varient de 0.123 à 0.021 et DCpx/meltF de 0.153 à 0.083, tandis que DOpx/meltCl varient de 0.002 à 0.069 et DCpx/meltCl de 0.008 à 0.015. De plus, DOl/meltF de 0.116 à 0.005 et DOl/meltCl de 0.001 à 0.004 ; DGrt/meltF de 0.012 à 0.166 et DGrt/meltCl de 0.003 à 0.087 avec l'augmentation de la teneur en eau et la diminution de la température dans les expériences. Je montre aussi que le F est compatible dans la phlogopite (DPhl/meltF >1.2) alors qu'il est incompatible dans la pargasite (DAmp/meltF de 0.36 à 0.63). A l'inverse, Cl est plus incompatible dans la phlogopite (DPhl/meltCl en moyenne 0.09±0.02), que dans la pargasite (DAmp/meltCl de 0.12 à 0.38). Cette étude démontre que F et Cl sont substitués dans des sites spécifiques de l'oxygène, ce qui les rend plus sensibles que les éléments traces aux variations de chimie des cristaux et de la quantité d'eau, et donc aux conditions de fusion. En utilisant ces nouveaux coefficients de partage, j'ai modélisé la fusion de lithologies potentielles du manteau sub-arc permettant de 1) déterminer la quantité de fluide aqueux impliqué dans la fusion, 2) distinguer la fusion induite par apport de fluides de la fusion d'une source à minéraux hydratés et 3) la fusion d'une lithologie à pargasite de celle à phlogopite, et montre que la source de certains magmas primaires d'arc, par exemple d'Italie, contient de la pargasite et de la phlogopite, tandis d'autres magmas primaires d'arc résultent d'une fusion par apport de fluides. / Volatile elements released from the subducting slab play a fundamental role during the formation of arc magmas in the mantle wedge. Advances of melt inclusion studies enlarged the data on volatile abundance in arc magmas, and it is now possible to characterize some volatile contents in arc primary magmas, in particular F and Cl. A recent study of Mt Shasta melt inclusions (LeVoyer et al., 2010) shows that fractionation of F and Cl potentially contains information about arc magma genesis. In order to trace the source of arc magmas, fluorine and chlorine partitioning was investigated. Here, I present new experimental determinations of Cl and F partition coefficients between dry and hydrous silicate melts and mantle minerals: olivine, orthopyroxene, clinopyroxene, plagioclase, garnet and also pargasite and phlogopite. The values were compiled from more than 300 measurements in 24 melting experiments, conducted between 8 and 25 kbars and between 1180 and 1430˚C. The low abundance F, Cl measurements in minerals were done by Cameca IMF 1280 at WHOI using the negative secondary ion mode. The results show that DOpx/meltF ranges from 0.123 to 0.021 and DCpx/meltF ranges from 0.153 to 0.083, while Cl partition coefficient varies from DOpx/meltCl from 0.002 to 0.069 and DCpx/meltCfrom 0.008 to 0.015, as well. Furthermore, DOl/meltF ranges from 0.116 to 0.005 and DOl/meltCl from 0.001 to 0.004; DGrt/meltF ranges from 0.012 to 0.166 and DGrt/meltCl from 0.003 to 0.087 with the increasing water amount and decreasing temperature. I also show that F is compatible in phlogopite DPhl/meltF > 1.2) while DAmp/meltF is incompatible in pargasite DAmp/meltF from 0.36 to 0.63). On the contrary, Cl is more incompatible in phlogopite (DPhl/meltCl > 1.2 on average 0.09 ± 0.02), than in pargasite (DPhl/meltCl from 0.12 to 0.38). This study demonstrates that F and Cl are substituted in specific oxygen site in minerals that lead then to be more sensitive than trace elements to crystal chemistry and water amount variations thus melting conditions. Using those new partition coefficients, I modelled melting of potential sub-arc lithologies with variable quantity aqueous-fluid. This model is able to decipher 1) amount of aqueous-fluid involved in melting, 2) melting induced by fluid or melting of an hydrous mineral-bearing source and 3) melting of either pargasite-bearing lithology or phlogopite-bearing lithology and shows that sources of some primitive melts, for instance from Italy, bear pargasite and phlogopite, while some primitve melts seem to be the results of fluid-induced melts.

Si on excepte le pôle fayalite, les propriétés élastiques des olivines (Fe,Mg)2SiO4 riches en fer n'ont pratiquement pas été étudiées malgré leur existence avérée sur Terre et sur Mars. Le but de cette thèse est donc d'étudier l'évolution des propriétés élastiques en fonction de la teneur en fer des olivines. Des agrégats polycristallins à grains fins ont été densifiés à l'aide de la technique de frittage flash (SPS) pour quatre compositions différentes (Fa44, Fa63, Fa81 and Fa100) à partir de poudre nanométriques d'oxydes synthétisées en atmosphère contrôlée. Les échantillons ont été étudiés jusqu'à des pressions de 6,4 GPa sur la presse DIA de la ligne X17B2 du National Synchrotron Light Source au Brookhaven National Laboratory. Les volumes de maille des échantillons et du NaCl (pour la calibration en pression) ont été déterminés par diffraction des rayons X afin de calculer le module de compressibilité isotherme (KT0) à l'aide de l'équation d'état de Birch-Murnaghan. Malgré nos efforts pour obtenir une pression hydrostatique, nous observons une importante contrainte déviatorique dans toutes les expériences. Grâce au réseau de 10 détecteurs de la ligne expérimentale et à la méthode de Singh (1993), nous avons tenté de corriger les valeurs de distance interréticulaire des effets de la contrainte déviatorique. Les données corrigées ne sont toutefois pas suffisantes pour déterminer une valeur de la dérivée en pression K'. Elle nous permettent cependant de proposer, en lien avec les valeurs de la littérature, un évolution de KT0 en deux palier : les compositions proches des pôles purs auraient des valeurs constantes de ~128 GPa pour les olivines riches en Mg et de ~135 GPa pour les olivines riches en Fe, alors que la valeur augmenterait rapidement d'un palier à l'autre entre Fa50 and Fa70. Pour les échantillons Fa81 et Fa100, nous avons également effectué des mesures à l'aide d'interférométrie ultrason combinée à de l'imagerie en rayons X. Les modules de compressibilité adiabatique (KS0) et de cisaillement (G) ont été calculés à partir des vitesse de propagation des ondes P et S. Les valeurs obtenues une fois les valeurs converties en KT0 sont significativement plus basses que les valeurs de diffraction des rayons X. Par contre, les valeurs de G s'accordent bien avec l'évolution linéaire en fonction de la teneur en fer des olivines proposée par Liu et al. (2005). / Except for the fayalite end-member, elastic properties of iron-rich olivine (Fe,Mg)2SiO4 have never been fully studied despite their aknowledged natural existence on Earth and Mars. The purpose of this thesis is to investigate on the evolution of elastic properties with regard to the iron content of olivines. Fine-grained polycrystalline aggregates of four different compositions (Fa44, Fa63, Fa81 and Fa100) were sintered by Spark Plasma Sintering (SPS) from nano-powder olivines synthesised under controlled atmosphere. These samples were then studied at pressures up to 6,4 GPa using the DIA press at X17B2 beamline of the late National Synchrotron Light Source at Brookhaven National Laboratory. Unit cell of the samples and NaCl pressure calibrant were determined using X-ray diffraction and used to calculate the isothermal bulk modulus (KT0) by fitting to a Birch-Murnaghan equation of state. Despite our best efforts to apply a hydrostatic pressure on the sample, a high level of deviatoric stress was observed in every experiment. Correction for the deviatoric stress on the d-spacing data was applied using the 10 detectors setup of the beamline and the calculations from Singh (1993) but is not sufficient to calculate a precise pressure derivative K'. These corrected data combined with literature allow us to propose a two level evolution of KT0, with constant values of ~128 GPa for the Mg-rich olivines and ~135 GPa for the Fe-rich olivines, connected by a quick raise between Fa50 and Fa70. In addition, we conducted ultrasonic interferometric measurements combined with X-ray imaging on the Fa81 and Fa100 samples. The adiabatic bulk modulus (KS0) and shear modulus (G) were calculated from compression and shear wave velocities. When converted into KT0, KS0 values are significantly lower than the X-ray diffraction ones. On the opposite, G values are in good agreement with the linear evolution with iron content of olivines calculated by Liu et al. (2005).

Nous étudions la propagation et l'atténuation du son dans la silice avec deux techniques expérimentales complémentaires, la diffusion Brillouin de la lumière et l'acoustique picoseconde. L'analyse de nouvelles données Brillouin précises obtenues dans une large gamme de températures (4-1300 K), complétées avec les données de la littérature sur un large intervalle de fréquences, montre que le frottement interne résulte de deux principaux mécanismes : l'interaction du son avec les défauts relaxants et avec les modes du bain thermique (anharmonicité). La spectroscopie Brillouin à haute pression (0-6 GPa) révèle l'existence d'une modification structurale à environ 2 GPa à température ambiante. L'atténuation du son est observée pour la première fois autour de 250 GHz avec une nouvelle technique acoustique picoseconde. Ce résultat démontre que l'atténuation du son est encore dominée par l'anharmonicité à l'échelle des longueurs d'onde mésoscopiques. La relation avec un régime de forte atténuation au THz est discutée.