L'origine microscopique du ralentissement de la dynamique dans les systèmes vitreux peut être attribuée à la nature hétérogène de la dynamique apparaissant à l'approche de la température de transition vitreuse. Dans ce travail, nous caractérisons cette hétérogénéité dynamique dans le cadre d'une dynamique hors-équilibre en nous basant sur l'étude numérique et analytique de modèles à contraintes cinétiques. Nous mesurons ainsi le temps de vie de l'hétérogénéité dynamique et démontrons que dans le cas des verres fragiles, il augmente plus rapidement que le temps de relaxation du système. Nous caractérisons aussi les régimes de vieillissement des modèles étudiés en établissant l'existence d'un lien avec la dynamique de modèle de marcheurs aléatoires. Enfin nous mesurons la violation du théorème fluctuation-dissipation et montrons que le signe négatif des températures effectives trouvées est une conséquence directe de la nature thermiquement activée de la dynamique.

Ce travail est consacré à l'étude des fluides quantiques de polaritons de microcavités semi-conductrices et en particulier à la génération de solitons, de demi-solitons et de réseaux de vortex. Nous avons développé un dispositif expérimental permettant la génération et l'observation de solitons sombres dans un fluide de polaritons. Nous observons les profils de densité et de phase caractéristiques des solitons, et étudions leurs propriétés de stabilité. Nous montrons expérimentalement que l'utilisation d'une pompe polarisée linéairement mène à la formation de demi-solitons, grâce au champ magnétique effectif existant en présence des deux populations de spin. Après avoir caractérisé les demi-solitons en densité et en phase, une tomographie complète du système est effectuée pour extraire l'information stockée dans le pseudospin. Ces études nous permettent de formuler une analogie formelle entre les demi-solitons et les monopoles magnétiques. Enfin, nous nous intéressons à des techniques de piégeage de vortex. Nous mettons à profit l'utilisation de masques métalliques pour créer des puits de potentiels piégeant les vortex générés hydrodynamiquement lors de l'écoulement du fluide sur un défaut à basse densité de polaritons. Nous utilisons ces masques pour réaliser des réseaux géométriques de vortex et d'antivortex à basse densité de polaritons dont la forme et la taille sont contrôlables. L'étude des effets d'interaction polariton-polariton à haute densité menée grâce à un dispositif expérimental à plusieurs faisceaux d'excitations nous permet d'observer la déformation et la destruction du réseau dues à l'annihilation des paires vortex-antivortex.

Cette thèse tente d'effectuer une approche de physique statistique (à l'équilibre et hors équilibre) d'un écoulement pleinement turbulent de von Kármán produit par la contra-rotation de deux turbines dans un cylindre rempli de fluide. Dans une première partie, les résultats expérimentaux obtenus en commande en vitesse sont complétés par des observations par PIV, puis étudiés dans le cadre de la mécanique statistique : la divergence de susceptibilité qui est notamment observée est étudiée à la manière d'un modèle d'Ising-Champ moyen, dans lequel les corrélations spatiales de l'écoulement et le théorème fluctuation-dissipation sont examinés. En second lieu, les résultats de commande en couple sont complétés : l'existence de réponses différentielles négatives dans l'écoulement autorise une analogie avec certains dipôles électriques et fluides complexes. Nous interprétons ces résultats comme une forme d'inéquivalence d'ensemble, typique des systèmes possédant des interactions à longue portée. Les temps d'échappement des régimes multi-stables sont également étudiés comme un simple problème de puits de potentiel de Kramers, révélant une dynamique globale à petit nombre de degrés de liberté. Finalement, des résultats préliminaires de l'expérience SHREK effectuées dans l'hélium à très basse température sont présentés. Les couples mécaniques exercés sur les turbines sont similaires dans le cas du fluide normal et du superfluide. Les nombres de Reynolds accessibles dans l'expérience permettent en outre une étude plus complète du cycle d'hystérésis en fonction du nombre de Reynolds.

Cette thèse porte sur l'étude théorique de nouveaux concepts de transistors en graphène par le formalisme des fonctions de Green dans l'hypothèse du transport balistique. Le graphène est un matériau bidimensionnel composé d'atomes de carbone organisés en nid d'abeille. Cette structure confère des propriétés uniques aux porteurs de charge dans le graphène, comme une masse effective nulle et un comportement ultra-relativiste (fermions de Dirac), ce qui conduit à des mobilités extraordinairement élevées. C'est pourquoi des efforts très importants ont été mis en œuvre dans la communauté scientifique pour la réalisation de transistors en graphène. Cependant, en vue de nombreuses applications, le graphène souffre de l'absence d'une bande d'énergie interdite. De plus, dans le cas des transistors conventionnels à base de graphène (GFET), cette absence de bande interdite, combinée avec l'apparition de l'effet tunnel de Klein, a pour effet de dégrader considérablement le rapport I_ON/I_OFF des GFET. L'absence de gap empêche également toute saturation du courant dans la branche N - là où se trouve le maximum de transconductance pour des sources et drain dopés N - et ne permet donc pas de tirer profit des très bonnes performances fréquentielles que le graphène est susceptible d'offrir grâce aux très hautes mobilités de ses porteurs. Cependant, de précédents travaux théorique et expérimentaux ont montré que la réalisation d'un super-réseau d'anti-dots dans la feuille de graphène - appelée Graphene NanoMesh (GNM) - permettait d'ouvrir une bande interdite dans le graphène. On s'est donc d'abord proposé d'étudier l'apport de l'introduction de ce type de structure pour former canal des transistors - appelés GNMFET - par rapport aux GFET " conventionnels ". La comparaison des résultats obtenus pour un GNM-FET avec un GFET de mêmes dimensions permettent d'affirmer que l'on peut améliorer le rapport I_ON/I_OFF de 3 ordres de grandeurs pour une taille et une périodicité adéquate des trous. Bien que l'introduction d'un réseau de trous réduise légèrement la fréquence de coupure intrinsèque f_T, il est remarquable de constater que la bonne saturation du courant dans la branche N, qui résulte de la présence de la bande interdite dans le GNM, conduit à une fréquence maximale d'oscillation f_max bien supérieure dans le GNM-FET. Le gain en tension dans ce dernier est aussi amélioré d'un ordre de grandeur de grandeur par rapport au GFET conventionnel. Bien que les résultats sur le GNM-FET soient très encourageants, l'introduction d'une bande interdite dans la feuille de graphène induit inévitablement une masse effective non nulle pour les porteurs, et donc une vitesse de groupe plus faible que dans le graphène intrinsèque. C'est pourquoi, en complément de ce travail, nous avons exploré la possibilité de moduler le courant dans un GFET sans ouvrir de bande interdite dans le graphène. La solution que nous avons proposée consiste à utiliser une grille triangulaire à la place d'une grille rectangulaire. Cette solution exploite les propriétés du type "optique géométrique" des fermions de Dirac dans le graphène, qui sont inhérentes à leur nature " Chirale ", pour moduler l'effet tunnel de Klein dans le transistor et bloquer plus efficacement le passage des porteurs dans la branche P quand le dopage des sources et drains sont de type N. C'est pourquoi nous avons choisi d'appeler ce transistor le " Klein Tunneling FET " (KTFET). Nous avons pu montrer que cette géométrie permettrait d'obtenir un courant I_off plus faible que ce qui est obtenu d'habitude, pour la même surface de grille, pour les GFET conventionnels. Cela offre la perspective d'une nouvelle approche de conception de dispositifs permettant d'exploiter pleinement le caractère de fermions de Dirac des porteurs de charges dans le graphène.

Parmi les torches à plasma microonde, la torche à injection axiale (TIA) est utilisée depuis de nombreuses années pour créer des espèces chimiquement actives dans des applications comme l'analyse de gaz, les traitements de surface et les traitements d'effluents gazeux. Notre étude porte sur l'énergie transférée par le plasma créé par cette torche à pression atmosphérique, qui trouve son intérêt notamment dans le chauffage de l'hélium pour la montée en altitude d'un ballon dirigeable. La TIA permet de coupler de l'énergie microonde (2.45 GHz) à un gaz injecté axialement à la sortie d'une buse. La TIA donne lieu à un plasma hors équilibre thermodynamique formé d'un dard de forte luminosité, avec une densité maximale de particules chargées à la sortie de la buse. Notre étude porte sur l'expérience et la modélisation de cette torche pour comprendre la répartition du champ électromagnétique, l'écoulement du système gaz/plasma et le transfert de chaleur du plasma au gaz.Des mesures par spectroscopie optique d'émission dans l'argon et l'hélium ont permis de trouver les températures du gaz (1500 K vs 3000 K) en fonction des conditions expérimentales (débit, puissance). Elles ont été estimées en ajustant les spectres ro-vibrationnels de N2 obtenus à ceux issus du logiciel SPECAIR. La mesure de la densité électronique (de l'ordre de quelques 10^14 cm^-3) a été réalisée dans un plasma d'hélium par élargissement Stark de la raie Hβ. Ces mesures ont un double objectif : obtenir des données d'entrée au modèle et valider ses résultats.La modélisation se partage en deux modules réalisés avec le logiciel COMSOL Multiphysics: (i) un module électromagnétique 3D qui résout les équations de Maxwell, (ii) un module hydrodynamique 2D qui résout les équations de Navier-Stokes pour le système gaz/plasma en prenant en compte les ions. Un module plasma, en cours de développement, résoudra les équations fluides pour les électrons et les ions du plasma.Cette modélisation réussit à prédire des températures similaires à celles obtenues expérimentalement et a permis de montrer l'influence du plasma sur l'écoulement et la température du gaz ainsi que l'efficacité du transfert de chaleur du plasma au gaz.

L'utilisation directe d'hydrogène comme vecteur énergétique pour des applications embarquées doit actuellement faire face à l'absence d'infrastructure de distribution et à des difficultés technologiques liées au problème du stockage de l'hydrogène. Une étape transitoire possible avant le passage à une économie " direct hydrogène " consiste à produire l'hydrogène à bord du véhicule à partir des carburants automobiles traditionnels. Le reformage assisté par plasma hors équilibre constitue une alternative au reformage catalytique qui, bien que largement utilisé à l'échelle industrielle, reste peu adapté aux contraintes des systèmes embarqués. Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches menées depuis une quinzaine d'années par le Centre Energétique et Procédés de l'Ecole des Mines de Paris, dans le domaine de la conversion d'hydrocarbures par voie plasma. Il a conduit à la réalisation et à la caractérisation d'un banc d'essai de reformage assisté par plasma hors équilibre. Le développement du dispositif expérimental, constitué d'une torche plasma et de son alimentation électrique, s'est appuyé sur la mise au point de deux types de générateurs : un générateur conventionnel basé sur un transformateur haute tension et un générateur électronique original de type convertisseur à résonance qui permet le contrôle continu du courant de décharge dans des conditions de haute tension-faible courant. La caractérisation électrique du système convertisseur / torche plasma, en fonctionnement non réactif à l'air, a permis de distinguer différents régimes de décharge fortement dépendants des régimes thermiques et des paramètres d'écoulement du gaz. La modélisation du reformage de l'octane a montré, au travers d'une étude thermodynamique et d'une étude cinétique basée sur trois approches de complexité croissante, l'influence des principaux paramètres opératoires et a permis de mettre en évidence le rôle du plasma sur les réactions de reformage. Les résultats expérimentaux, en accord avec les résultats théoriques obtenus, ont été comparés aux résultats issus de la littérature. Dans une dernière partie, l'utilisation d'un procédé de reformage plasma comme composant du système global : reformeur / pile à combustible a été étudiée et quelques perspectives d'évolution de la technologie plasma ont été présentées.

L'objectif de ce travail est de comprendre la structure et les interactions des liquides ioniques au contact de surfaces métalliques à l'échelle moléculaire en ayant recours aux méthodes de dynamique moléculaire. Il s'agit également d'étudier l'impact de ces caractéristiques microscopiques sur les propriétés tribologiques du système. Les liquides ioniques choisis en tant qu'huiles lubrifiantes potentielles présentent des propriétés biodégradables et des caractéristiques tribologiques appropriées. Ils reposent sur des cations alkylammonium combinés avec des anions alkylsulfonate et bistriflamide. Notre étude est structurée en quatre parties. Elle commence par l'analyse des liquides ioniques purs puis, des liquides ioniques confinés entre deux surfaces de fer à l'équilibre et sous cisaillement, et enfin, en présence d'eau. Les propriétés structurales et dynamiques des liquides ioniques sont étudiées à travers la fonction de distribution radiale et les coefficients d'auto-diffusion. L'organisation des charges ainsi que la formation de micro-domaines en solution sont étudiées conjointement au comportement diffusif des espèces ioniques. Un champ de forces atomique, basé sur des méthodes quantiques, a été développé pour modéliser les interactions entre les liquides ioniques et la surface métallique. Des calculs DFT ont été réalisés sur des fragments de liquides ioniques en interaction avec un cluster de fer en fonction de la distance et de leur orientation. Une fonction modélisant des interactions site-site a été ajustée aux valeurs d'énergies fragment-cluster calculées par DFT afin d'obtenir les paramètres du champ de forces. Finalement, la polarisation du métal par les ions a été prise en compte en utilisant un modèle de dipôles induits afin de reproduire l'énergie d'interaction entre les charges et la surface conductrice. Avec ce modèle d'interaction, les simulations de dynamique moléculaire ont permis d'étudier la structure de l'interface entre une surface de fer plane et différents liquides ioniques. Cette analyse s'est concentrée sur l'étude du positionnement des différentes espèces au niveau de la surface, sur l'orientation des chaines alkyles et sur les profils de densité de charge. Des simulations de dynamique moléculaire hors-équilibre de liquides ioniques en interaction avec des surfaces de fer ont été réalisées en utilisant le champ de forces développé précédemment. Un protocole de simulation, basé sur une définition locale de la pression, a été développé pour prédire de manière quantitative le coefficient de friction en fonction de la valeur de la charge et du taux de cisaillement. La dépendance de la friction avec la charge, la vitesse de cisaillement, la topologie de la surface et la taille de la chaine alkyle du liquide ionique a été étudiée. La variation des forces de friction s'explique par l'arrangement spécifique des ions et l'orientation des groupements du liquide ionique à proximité de la surface. Finalement, l'effet de la présence d'eau en petite quantité dans une solution de liquide ionique a aussi été étudié à l'équilibre et hors-équilibre. Un potentiel a été construit pour décrire les interactions entre l'eau et une surface de fer en utilisant la même approche que celle décrite précédemment. Des résultats préliminaires concernant la structure de l'interface liquide-métal et la valeur du coefficient de friction ont été présentés et comparés avec ceux obtenus pour les liquides ioniques purs.

Un défi mondial fondamental est de développer des technologies peu coûteuses et stables pour récolter efficacement l'énergie solaire et la transformer en formes pratiques. Ainsi pour la conversion photovoltaïque plusieurs générations de cellules solaires ont émergé. En général, on peut diviser les types existants de cellules solaires en deux classes distinctes: les photovoltaïques inorganiques conventionnels (IPV), comme les jonctions silicium p-n, et les cellules solaires excitoniques (XSCs). Selon le type de matériaux utilisés les cellules solaires excitoniques sont classées en deux catégories: les cellules solaires à colorant (DSC) et les cellules organiques (OPV) développées en couche unique, ou en bi-couche, et les hétérojonction en volume (BHJ). Les cellules solaires à base de points quantiques (QDSC) sont un autre type de cellules solaires qui ont une configuration similaire aux DSCs ou OPVs.Bien que la performance des cellules solaires excitoniques ait été un thème central de la communauté scientifique pendant de nombreuses années, des approches théoriques facilitant sa compréhension sont nécessaires. Les théories semi-classiques son inadaptées pour traiter les phénomènes quantiques dans les cellules solaires nano-structurées. De plus, en raison de l'attraction coulombienne entre les porteurs photo-générés, l'application du formalisme de la fonction de Green hors équilibre (NEGF) pose certaines difficultés. Par conséquent, dans cette thèse, nous développons un nouveau formalisme quantique, basé sur la théorie de la diffusion quantique et sur l'équation de Lippmann-Schwinger, pour fournir un cadre complet pour comprendre les processus fondamentaux intervenant dans le fonctionnement des cellules solaires excitoniques.En particulier, nous nous concentrons sur des aspects qui ont été peu pris en compte dans le passé et nous abordons, au travers d’un modèle à deux niveaux, l'interaction Coulombienne électron-trou à courte et à longue portée, la recombinaison électron-trou, l'existence de canaux d'évacuation supplémentaires, le couplage électron phonon et la formation de bandes polaroniques.Ici, les cellules solaires excitoniques à deux niveaux sont considérées dans les régimes permanents et transitoires d'injection de charge. Les photocellules moléculaires où le processus de conversion de l'énergie se déroule dans un seul complexe donneur-accepteur moléculaire attaché aux électrodes sont considérées comme étant représentatives des XSC dans le régime permanent. A titre d'exemple pour les dispositifs photovoltaïques dans le régime transitoire, nous considérons les cellules photovoltaïques organiques hétéro-jonctions massives (BHJ OPV) qui sont l'approche la plus courante des OPV et se composent d'espèces mixtes donneuses et accepteuses. Dans ces systèmes, l'exciton créé par l'absorption des photons dans le côté donneur doit atteindre d'abord l'interface donneur-accepteur. A partir de ce moment, seulement un régime transitoire commence où les charges peuvent être séparées et injectées dans leurs côtés respectifs.Nous démontrons que la séparation du porteur de charge est un processus complexe qui est affecté par différents paramètres, tels que la force de l'interaction électron-trou et le taux de recombinaison non radiative. En outre, en fonction de la structure de la cellule, l'interaction électron-trou peut normalement diminuer ou augmenter anormalement l'efficacité. Le modèle proposé aide à comprendre les mécanismes des cellules solaires excitoniques, et il peut être utilisé pour optimiser leur rendement. / A fundamental global challenge is to develop an inexpensive, stable and scalable technology for efficiently harvesting solar photon energy and converting it into convenient forms. Photovoltaic energy conversion is attracting great attention such that several generations of solar cells have emerged. The existing types of solar cells roughly fall into two distinct classes: conventional inorganic photovoltaics (IPVs), such as silicon p-n junctions, and excitonic solar cells (XSCs). The mechanistic distinction of IPVs and XSCs results in fundamental differences in their photovoltaic behavior.According to the type of materials used in their structure, excitonic solar cells are classified into two categories: dye-sensitized solar cells (DSC) and organic photovoltaics (OPV) developed in single-layer and bi-layer including planar and bulk hetero--junction configurations. Quantum dot solar cells (QDSC) are another type of solar cells that have a similar configurations to DSCs or OPVs.While understanding the performance of excitonic solar cells has been a central effort of the scientific community for many years, theoretical approaches facilitating the understanding of electron-hole interaction and recombination effects on the cell performance are needed. Semiclassical theories are inefficient tools to treat quantum phenomena in nano-structured solar cells, and on the other hand, due to the Coulomb attraction between the photo generated carriers, the application of standard Non-Equilibrium Green Function (NEGF) formalism presents some difficulties although some specific methods allow to circumvent this problem.In this thesis we develop a new quantum formalism, which is based on quantum scattering theory and on the Lippmann-Schwinger equation, to provide a comprehensive framework for understanding the fundamental processes taking place in the operation of excitonic solar cells. Considering simple two-level models we address important effects such as the short--range and long--range electron--hole Coulomb interaction, the electron--hole recombination, the existence of extra evacuation channels, and the electron--phonon coupling and polaronic bands formation.Here, the two-level excitonic solar cells are considered in the permanent and transitory regimes of charge injection. The molecular photocells where the energy conversion process takes place in a single molecular donor-acceptor complex attached to electrodes are considered as a representative of XSCs in the permanent regime. As an example for the photovoltaic devices in the transitory regime, we consider the bulk hetero--junction organic photovoltaic cells (BHJ OPVs) which are the most common approach to OPVs and consists of mixed donor and acceptor species that form interpenetrating connective networks. In these systems the exciton created by the photon absorption in the donor side must reach first the donor--acceptor interface. From this moment only a transitory regime begins where the charges can be separated and injected in their respective sides.We demonstrate that the charge carrier separation is a complex process that is affected by different parameters, such as the strength of the electron--hole interaction and the non--radiative recombination rate. Furthermore, depending on the cell structure, the electron-hole interaction can normally decrease or abnormally increase the cell efficiency. The proposed model helps to understand the mechanisms of excitonic solar cells, and it can be used to optimize their yield.

Cette thèse traite de la manipulation de l'énergie dans trois systèmes quantiques ouverts différents dans la limite de couplage faible système-environnement, et leurs dynamiques respectives sont décrites par une équation maîtresse quantique markovienne. Dans le premier chapitre, le calcul d'une telle équation est réalisé pour un système particulier, et diverses notions de thermodynamique quantique sont introduites. Pour le premier système physique, on analyse le transport d'énergie le long de chaînes atomiques (entre 2 et 7 atomes) soumises à un rayonnement de corps noir proche de la température ambiante. Il est montré que l'efficacité du transport peut atteindre des valeurs remarquables, surpassant 100% et atteignant jusqu'à 1400% dans certaines configurations. De plus, lorsque l'efficacité est amplifiée, la portée du transport est également considérablement augmentée. Le chapitre suivante traite aussi du transport d'énergie dans des chaînes atomiques. Le système quantique est placé à l'interface d'un isolant topologique photonique (ITP), qui supporte un plasmon polariton de surface (PPS) insensible à la réflexion. Le PPS se propage le long de la chaîne atomique et assiste le transport d'énergie. La comparaison est faite entre PPSs réciproque et unidirectionnel en termes d'efficacité du transport, et il est démontré que ce dernier produit une meilleure efficacité, de plus d'un ordre de grandeur. De surcroît, divers aspects pratiques dus aux propriétés des ITPs sont mis en avant, notamment la robustesse du transport d'énergie en présence de défauts sur le parcours du PPS. Enfin, un système quantique immergé dans un champ électromagnétique hors équilibre thermique est étudié. Il est composé d'un système à trois niveaux d'énergie, jouant le rôle de machine thermique quantique à absorption, ainsi que de N atomes à deux niveaux ("qubits") qui sont affectés par l'action de la machine. Il est montré que la machine est capable de délivrer des tâches thermiques d'intensité significative sur les qubits, y compris lorsque leur nombre augmente. De plus, il est mis en évidence qu'en raison d'interactions qubit-qubit, les tâches réalisées par la machine sont distribuées parmi l'ensemble du système des qubits en interaction, de sorte que dans certains cas, même les qubits complètement découplés de la machine subissent une modification de température considérable. Ce mécanisme de distribution des tâches est analysé à travers les corrélations entre différentes partitions du système quantique. Par ailleurs, le contrôle des tâches thermiques est également discuté. / This thesis deals with energy management in open quantum systems. Three different systems are under study in the limit of weak system-environment coupling, and their dynamics is described by Markovian quantum master equations. In the first chapter, the complete derivation of such equation is performed in a specific case, and several notions of quantum thermodynamics are introduced. In the first system, energy transport is investigated along atomic chains (between 2 and 7 atoms) embedded in blackbody radiation around room temperature. It is shown that the transport efficiency can reach remarkable values, exceeding 100% and reaching 1400% in some configurations. Moreover, when the efficiency is amplified, the transport range is also considerably increased. The following chapter also deals with energy transport in atomic chains. The quantum system is located at the interface of a photonic topological insulator (PTI), supporting a unidirectional surface-plasmon-polariton (SPP) immune to backscattering. The SPP propagates along the chain and assists energy transport. Comparison is made between reciprocal and unidirectional SPPs in terms of transport efficiency, and it is shown that the latter can yield an efficiency larger by one order of magnitude. In addition, several practical aspects stemming from PTIs are highlighted, including the robustness of energy transport in the presence of defects on the SPP path. In the last chapter, a quantum system embedded in an out-of-thermal-equilibrium electromagnetic field is investigated. It is composed of a three-level atom playing the role of an absorption quantum thermal machine, as well as N two-level atoms ('qubits'), with N=1,...,6, which are the target bodies. It is demonstrated that the machine is able to perform significant thermal tasks on the qubits, even when their number is increased. Moreover, it is pointed out that due to qubit-qubit interactions, the tasks delivered by the machine are distributed throughout the system of interacting qubits, such that in some cases the temperature of the qubits which are completely decoupled from the machine can still be considerably affected by it. This task-distribution mechanism is investigated by means of the correlations between different subparts of the system. In addition, the tuning of thermal tasks is discussed.

La biodisponibilité d'un métal pour un organisme donné correspond à la fraction de ce métal qui est potentiellement bioadsorbable et/ou biointernalisable. Elle dépend de la composition physicochimique du milieu, de la nature des surfaces biologiques considérées et elle est modulée par la réponse cellulaire des organismes. Dans un contexte environnemental, l’analyse des processus contrôlant la bioassimilation des métaux est essentielle pour une prédiction fiable de leur biodisponibilité et toxicité. Dans ce manuscrit sont détaillés des développements théoriques et expérimentaux visant à comprendre la dynamique de partition de contaminants métalliques aux interfaces microbiennes et les déterminants de leur biodisponibilité selon une approche qui dépasse les cadres thermodynamiques classiques (modèle BLM). Après une partie introductive et une revue de l'état de l'art, le troisième chapitre de cette thèse est dédié à l'élaboration d'un formalisme pour l'évaluation quantitative de la bio-partition hors-équilibre de métaux traces aux interfaces biologiques. Ce modèle théorique est basé sur les expressions des flux de contaminants depuis la solution extracellulaire vers la surface biologique par diffusion/conduction, des flux d'internalisation et excrétion à travers la membrane, et il tient compte de la cinétique de déplétion des métaux en solution. Le formalisme intègre par ailleurs les processus de complexation intracellulaire des métaux sur la base d'un mécanisme d'Eigen généralisé. Dans le quatrième chapitre, des souches d'Escherichia coli ont été génétiquement modifiées pour (i) limiter leurs capacités d'excrétion des métaux et (ii) sur-exprimer des protéines intracellulaires ayant une forte affinité pour ces métaux. Des données expérimentales issues de suivis cinétiques de déplétion de Cd(II) réalisées à différentes fractions volumiques en bactéries ont permis de conforter avec succès les bases de la théorie élaborée dans cette thèse pour la partition de métaux à des biointerfaces molles chargées. Un dernier chapitre est consacré à l’évaluation quantitative de la réponse de biosenseurs luminescents en présence de métaux. Ce formalisme décrit la façon avec laquelle la dérivée temporelle des biosignaux dépend de la dynamique d’internalisation du métal, de la cinétique de formation de complexes intracellulaires régulateurs des processus de transcription et de leurs stabilités, et des processus de bio-sorption passive. Une confrontation avec des données expérimentales issues de biosenseurs sensibles au cadmium a permis de mettre en évidence l’inapplicabilité des modèles d’équilibre de biodistribution des métaux, et de prédire la réponse des biosenseurs à des variations de la salinité du milieu, de la concentration cellulaire et de la concentration bulk de métaux / Bioavailability of metal ions toward living organisms refers to the metal fraction they potentially adsorb and/or internalize. It is governed by the physicochemical medium composition, the nature of the biological surface considered and it is further mediated by the cellular response of the organisms. Within an environmental context, a fine understanding of the processes controlling metal biouptake is mandatory to predict bioavailability and toxicity of metallic contaminants. Here are detailed theoretical and experimental developments to broaden our knowledge on dynamic partitioning of metallic contaminants at microbial interfaces beyond the standard thermodynamic representation (BLM model). After an introduction and a state of the art section, the third chapter is devoted to the elaboration of a rationale for the evaluation of the processes governing metal biouptake under relevant out-of-equilibrium conditions. The formalism expresses the fluxes of contaminants from bulk medium to the biosurface via conductive diffusion, the biouptake and excretion fluxes with account of metal depletion kinetics in the extracellular medium. It also includes chemodynamics of intracellular metal complexation as described by a generalized Eigen scheme. In the fourth chapter, strains of \textit{Escherichia coli} were genetically modified to limit metal excretion ability and overexpress strong intracellular proteinaceous chelators. Quantitative interpretation of metal depletion kinetic data confort the bases of the theory developed in this PhD work on metal partitioning at soft charged biointerfaces. The final chapter deals with a development of a theoretical framework for understanding -on a mechanistic level- the response of metal-sensitive whole-cell bioreporters. The theory explicitly deciphers how the time derivative of bioreporters signal intensity is governed by the dynamics of metal biouptake, by the formation kinetics and stability of the intracellular complexes acting as transcriptional regulators, and by passive biosorption. The model predictions are successfully collated with cadmium detection data collected with genetically modified Escherichia coli luminescent bioreporters that exhibit various lipopolysaccharidic surface structures. The analysis dismisses the applicability of thermodynamic metal biopartitioning models and it clearly defines the physicochemical medium composition in line with optimum biosensing of the bioavailable metal fraction