La lignine est un des polymères naturels les plus abondants et le seul constituant de la biomasse basé sur des unités aromatiques et, à ce titre, représente une ressource renouvelable prometteuse pour la production durable de molécules organiques plus complexes. Les travaux de cette thèse portent sur le développement de matériaux catalytiques capables de transformer sélectivement la lignine en molécules fonctionnelles de base, hautement oxygénées, et l'étude de leur mise en oeuvre en condition alcaline oxydante en utilisant le peroxyde d'hydrogène comme donneur d'oxygène. Différentes familles de matériaux hybrides de type SBA-15 à base de titane, Au/titane, Ag/titane et Fe(TAML) ont tout d'abord été synthétisées et entièrement caractérisées. Des études catalytiques comparatives ont ensuite été réalisées afin d'évaluer leurs performances en termes de degré de dépolymérisation et distribution de produits. Le catalyseur présentant le plus fort potentiel, le matériau TiO2 supporté sur SBA-15, a ensuite été soumis à des études de réactivité plus poussées afin d'optimiser les différents paramètres réactionnels (température, temps de réaction et quantité d'oxydant) permettant d'atteindre en présence d'un excès d'oxydant jusqu'à 90 %pds de conversion de la lignine et à 80°C un rendement en bio-huile de 50%pds constituée principalement d'acides carboxyliques et molécules aromatiques potentiellement valorisables / Lignin is one of the most abundant natural polymers and the only biomass constituent based on aromatic units and as such represents a promising renewable resource for the sustainable production of complex organic molecules. This dissertation reports on the development of catalytic materials capable of selectively transform lignin into basic functional molecules with high oxygen content and the study of their performance under alkaline oxidative conditions, using hydrogen peroxide as oxygen donner. Different families of hybrid materials based on the SBA-15 scaffold were first synthesized by incorporation of titanium, Au/titanium, Ag/titanium and Fe-TAML and completely characterized. Comparative catalytic studies were then accomplished in order to evaluate their performance in terms of degree of depolymerization and product distribution. The catalyst with the highest potential, the TiO2 based SBA-15 material, was then submitted to further reactivity studies in order to optimize the different reaction parameters (temperature, reaction time and quantity of oxidant). In the presence of an excess of oxidant, conversions up to 90 wt. % were obtained, whereas a temperature of 80 °C allowed to obtain a yield in bio-oil of 50 wt. %, which is mainly composed of carboxylic acids and aromatic molecules with potential to be further valorized

First, the theory of MSG is extended to aperiodic heterogeneous solid structures. Integral constraints are introduced to decompose the displacements and strains of the heterogeneous material into a fluctuating part and a macroscopic part, of which the macroscopic part represents the responses of the homogenized material. One advantage of this theory is that boundary conditions are not required. Consequently, it is capable of handling micro-structures of arbitrary shapes. In addition, periodic constraints can be incorporated into this theory as needed to model periodic or partially periodic materials such as textile composites. In this study, the newly developed method is employed to investigate the finite thickness effect of textile composites.<div><br></div><div>Second, MSG is enabled to deal with Timoshenko beam-like structures with spanwise heterogeneity, which provide higher accuracy than the previous available Euler–Bernoulli beam model. Its reduced form, the MSG beam cross sectional analysis, is found to be able to analyze generalized free-edge problems with arbitrary layups and subjected to general loads. In this method, the only assumption applied is that the laminate is long enough so that the Saint-Venant principle can be adopted. There is no limitation on the cross section of the laminate since no ad hoc assumption is involved with the microstructure geometry. This method solve the free-edge problem from a multiscale simulation point of view.<br></div><div><br></div>

Ce travail présente une étude, par microscopie optique et de fluorescence, de matériaux hybrides, basés sur des monolithes de silice contenant des dérivés du cyano-anthracène : 9,10-dicyano-anthracène (DCA) ou 9,14-dicyano-benzo(b)triphénylène (DBTP), qui sont des photo-sensibilisateurs de l'oxygène singulet. Alors que ces matériaux sont bien caractérisés du point de vue de la photo-oxydation des sulfures sous des conditions hétérogènes par des études macroscopiques, certaines propriétés concernant l'association du photosensibilisateur avec l'absorbant peuvent être masquées, dominées ou encore mal interprétées par uniquement des mesures d'ensemble. Ici, nous combinons la spectroscopie d'ensemble et la microscopie optique et de fluorescence, et développons des protocôles expérimentaux concernant des échantillons solides épais, dans le but d'étudier la distribution spatiale et la mobilité des photosensiblisateurs dans la matrice hôte ainsi que d'analyser les interactions entre ces deux entités. La microscopie optique montre dans tous les cas des inhomogénéités localisées à l'interface du monolithe et attribuées à la formation de bulles pendant la synthèse et une accumulation locale du DBTP. A partir de simulations Monte-Carlo de lancer de rayons, nous développons un protocôle pour corriger les artéfacts de réfraction dans les profils d'intensité de fluorescence en fonction de la profondeur, obtenus par des mesures confocales, pour déterminer la distribution axiale du photosensibilisateur ce qui permet de mettre en évidence une nette augmentation de la concentration en photosensibilisateurs dans les premiers 50—100 m dessous la surface. L'analyse FRAP montre la très lente mobilité de tous les photosensibilisateurs et un retour partiel de l'intensité ce qui signifie que les photosensibilisateurs se trouvent dans des régions compartimentées, probablement dues à des contraintes aléatoires du réseau de pores. De plus, l'analyse FLIM montrent des propriétés photo physiques semblables pour le DBTP inclus et greffé ce qui permet d'envisager l'inefficacité de la fonctionnalisation. Ces observations soulignent que les monolithes à base de silice sont des systèmes hors d'équilibre et correspondent à un instantané des inhomogénéités gelées pendant les derniers instants du processus de condensation-hydrolyse des monomères de silice. Enfin, corréler la spectroscopie classique avec nos observations confocales sur différentes formes de DBTP, nous permet d'établir que la bande d'émission de fluorescence non-structurée et fortement déplacée vers le rouge est probablement due à la formation d'excimères. / This work presents an optical and fluorescence microscopy study of hybrid materials based on porous silica monoliths containing derivatives of cyano-anthracene: 9,10-dicyano-anthracene (DCA) or 9,14-dicyano-benzo(b)triphenylene (DBTP), photo-sensitizers of singlet oxygen. While these materials are well known from bulk studies for the efficient photo-oxidation of sulphides under heterogeneous conditions, some characteristics of the association of the photo-sensitizer and the absorbent may be masked, overlooked or otherwise misinterpreted by bulk investigations alone. Here, we combine classical bulk spectroscopy with optical and fluorescence microscopy, and develop experimental protocols for thick solid state samples, to study the spatial distribution and the mobility of the guest in the host matrix, and analyse guest-host interactions. Optical microscopy shows in all cases localised inhomogeneities at monolith interface, ascribed to bubble formation during synthesis; wide-field fluorescence microscopy shows that these features are associated with local accumulation of the larger, more hydrophobic of the two photo-sensitizers, DBTP. Photo-sensitizer lateral distribution at the monolith interface is otherwise homogeneous. Based on Monte Carlo ray-tracing simulations, we develop a protocol for correcting refraction artefacts in measured confocal fluorescence depth profiles, to obtain the photo-sensitizer axial distribution. While it in general exhibits a sharp increase in concentration in the first 50—100 m below the surface compared to the bulk, this layer contributes negligibly to the total content of the monoliths. FRAP analysis shows mobility of the photo-sensitizers in all cases, but with diffusion constants implying months or years to equilibrate the centimetre-sized monoliths. Classical bulk and confocal spectroscopy with FLIM analysis show similar photo-physical properties of DBTP included and grafted. The main effects of funcionalization in this photo-sensitizer are to slow down diffusion and to counter its aggregation. Incomplete FRAP recovery implies photo-sensitizer mobility is compartmented, probably due to random constrictions in the pore network. These observations underline that silica-based monoliths are non-equilibrium systems encapsulating a snapshot of any homogeneities frozen in during the later stages of hydrolysis-condensation of silicate units. Correlating classical bulk spectroscopy with our confocal observations on the different DBTP forms, conclude that its unusual structureless, red-shifted emission is probably due to excimer emission.

Dans ce manuscrit, la synthèse et la caractérisation complète de différents matériaux hybrides dédiés à des applications dans le domaine optique ou thérapeutique sont décrites. Dans un premier temps, des systèmes macroscopiquement ordonnés sont obtenus par intercalation de colorants tels que le Styryl 722 ou la pyronine-Y dans plusieurs films à base d’argile de type smectite. Les films d’argile sont élaborés par spin-coating et les colorants intercalés par immersion des films dans les solutions de ces colorants. Les effets de l’argile sur les propriétés des colorants sont analysés en détail et leur orientation préférentielle dans l’espace inter-couches est étudié grâce à la réponse anisotropique des films en lumière linéairement polarisée. Dans la deuxième partie, la synthèse par chimie sol-gel de monolithes de silice de grande dimension contenant des colorants laser présentant une forte absorption et une émission de fluorescence dans le visible est abordée. Des colorants laser à l’état solide (SSDL) avec de bonnes stabilités photochimique, thermique et chimique sont ainsi proposés. Dans le troisième chapitre, la synthèse par voie sol-gel de nanoparticules de silice (NP) d’environ 50 nm de diamètre fonctionnalisées sur leur surface externe est ensuite décrite. Grâce à l’encapsulation de molécules de colorants fluorescents dans leur cœur et le greffage de photosensibilisateurs sur leur écorce, des nanoparticules biocompatibles adaptées à la bio-imagerie et la thérapie photodynamique (PDT) ont été préparées. Pour optimiser leurs performances, les propriétés photophysiques et plus particulièrement la production d’oxygène singulet d’une nouvelle série de photosensibilisateurs basés sur les chromophores de type PODIPY ont d’abord été étudiées en détail. A partir de ces résultats, des BODIPY particulièrement efficaces ont été greffés sur les nanoparticules de silice afin de les utiliser pour la PDT. Les propriétés photophysiques de ces matériaux ont été analysées par spectroscopie d’absorption et de fluorescence (stationnaire ou résolue en temps) et les rendements quantiques de production d’oxygène singulet déterminés par des méthodes directe (émission de luminescence de l’oxygène singulet à 1270 nm) ou indirecte (utilisation de sondes chimiques spécifiques à l’oxygène singulet). Par ailleurs les matériaux hybrides ont été complètement caractérisés par plusieurs techniques (SEM, TEM, XRD, XPS, IR, DLS, BET). / Along this manuscript different hybrid materials are synthesized and extensively characterized for several uses: from optical to therapeutic applications. First, by the intercalation of different dyes, styryl 722 and pyronine-Y into several smectite clay films, macroscopically ordered system are obtained. Clay films are elaborated by spin-coating technique and the dyes are intercalated by the immersion of clay thin films into dye solutions. The effect of clay on the dye properties is deeply analyzed and its preferential orientation in the interlayer space of the clay is studied by the anisotropic response of the films to the linear polarized light. Second, large silica monoliths with embedded laser dyes with strong absorption and fluorescence bands in different region of the Visible spectrum are attained by sol-gel chemistry to obtain solid-state dye laser (SSDL) with good photo, thermal and chemical stabilities. Third, silica nanoparticles (NP) with suitable size (50 nm) and functionalized external surface are also synthesised by sol-gel chemistry. Through the encapsulation of fluorescent dye molecules in their core and by the grafting of photosensitizers on their shell, biocompatible nanoparticles for bio-imaging and Photodynamic Therapy (PDT) applications are prepared. In order to optimize their properties, a careful investigation of the photophysical properties and mainly the singlet oxygen generation of a large range of new photosensitizers based on chromophores known as BODIPYs, is previously carried out. Based on these results, some efficient BODIPYs are selected for grafting on silica nanoparticles in order to use them for PDT. The photophysical properties of all these hybrid materials are analyzed by absorption and fluorescence (steady-state and time correlated) spectroscopies, and the singlet oxygen measurements are monitored by direct method (recording the singlet oxygen luminescence at 1270 nm) and by indirect method (using selective chemical probe). Moreover, the hybrid materials are fully characterized by several techniques such as, SEM, TEM, XRD, XPS, IR, DLS, BET.

<p>U ovom radu pripremljeni su različiti polimerni i keramički nanostrukturni materijali, u cilju ispitivanja uticaja vrste i udela nanopunila (čađ, fuleren, silicijum(IV)oksid, aluminijum(III)oksid i titanijum(IV)oksid) na strukturu, reolo&scaron;ko i toplotno pona&scaron;anje kompozita, dobijenih na osnovu stirena, metilmetakrilata i akrilamida, primenom različitih metoda sinteze. Ispitivan je uticaj prisustva različitog udela nanočestica (1, 3 i 5 %<em> m/m</em>) na kinetiku polimerizacije stirena, i na oblast prelaska u staklasto stanje polistirenskih hibridnih materijala. Sintetisana je i serija nanokompozita polimerizacijom metilmetakrilata u prisustvu čestica (silicijum(IV)oksid, aluminijum (III)oksid i titanijum(IV)oksid) različitih dimenzija i hidrofilnosti, ali istog zapreminskog udela (1 %<em> v/v</em>). Na osnovu primene izotermne diferencijalno skanirajude metode (DSC), razvijen je kinetički model za opisivanje dve razičite reakcije tokom polimerizacije vinilnih monomera (reakciju prvog reda i samoubrzanje), i izračunata je debljina međufaznog sloja polimera na čestici u cilju određivanja njegovog uticaja na temperaturu prelaska u staklasto stanje hibridnih materijala. Za ispitivanje strukture i morfologije polistiren/silicijum(IV)oksid nanokompozita dobijenih metodom isparavanja rastvarača, kori&scaron;dene su infracrvena spektroskopija sa Furijeovom transformacijom (FT-IR) i skanirajuda elektronska mikroskopija (SEM). Radi utvrđivanja uticaja udela hidrofobnog silicijum(IV)oksida (2, 5, 10, 15 i 30 %<em> m/m</em>) na toplotnu postojanost polistirenskih materijala, primenjene su istovremena termogravimetrijska i diferencijalno skanirajuda analiza (TG-DSC). Takođe, određen je uticaj veličine čestice fulerena C60 i submikronske čestice čađi na reolo&scaron;ka svojstva polistirenskih kompozita sintetisanih taloženjem polimera iz rastvora. Ispitivanjem reolo&scaron;kog pona&scaron;anja hibridnih materijala, proučavan je uticaj veličine čestica, molekulske mase polimera i indeksa polidisperznosti na viskoznost polistirenskih kompozita. Na osnovu<em> in-situ</em> reolo&scaron;kih analiza polimerizacije u toku želiranja suspenzije nanočestica aluminijum(III)oksida u vodenom rastvoru monomera metakrilamida i N,N&rsquo;-metilenbisakrilamida, utvrđena je jaka katalitička aktivnost povr&scaron;ine aluminijum(III)oksida na nastajanje slobodnih radikala. Radi nalaženja veze između željenih svojstava keramičkih proizvoda i načina njihovog dobijanja, proučavan je uticaj uslova vođenja polimerizacije na slaganje čestica u dobijenom odlivku i na gustinu krajnjeg sinterovanog proizvoda.</p> / <p>In this work, polymeric and ceramic nanostructured materials were prepared using different methods, in order to investigate the influence of nanofiller content and its type (carbon black, fullerene, silica, alumina and titania) on the structure, rheological and thermal behavior of composites, based on styrene, methylmethacrylate and acrylamide. The effect of particles content (1, 3 and 5 wt. %) on the kinetics of styrene radical polymerization and on the glass transition temperature of polystyrene/silica composites was investigated. A series of polymethylmethacrylate nanocomposites containing 1 vol. % of silica, alumina or titania particles (differing in dimensions and surface properties) was obtained. On the basis of isothermal differential scanning calorimetry (DSC), the kinetic model for describing two reactions during vinyl monomer polymerization (first order and autoacceleration) was developed, and the thickness of interfacial layer formed on nanoparticle surface was determined, in order to investigate its influence on the glass transition temperature of polymethylmethacrylate hybrid materials. The structure and the morphology of polystyrene/silica nanocomposites prepared by solvent evaporation were investigated using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and scanning electron microscopy (SEM). The influence of&nbsp; hydrophobic silica content (2, 5, 10, 15 and 30 wt. %) on polystyrene thermal stability was studied by simultaneous thermogravimetry and differential scanning calorimetry (TG-DSC). The effect of fullerene C60 and submicron carbon black particle size on rheological properties of polystyrene composites prepared by the rapid coprecipitation was determined. Following the rheology of hybrid melts, the influence of filler size, molecular weight and polydispersity of polymer matrix on the viscosity of polystyrene composites was studied. On the basis of in-situ rheology analysis of polymerization process during the gelation of alumina nanoparticles suspension in aqueous solution of methacrylamide and N,N&rsquo;- methylene bisacrylamide monomers, the strong catalytic activity of alumina surface on the free radicals formation was determined. In order to find the correlation between desired properties of ceramic products and their preparation procedure route, the influence of polymerization conditions on the green body structure and sintered body density was studied in details.</p>

Les matériaux hybrides de type MOFs sont des solides poreux dans lesquels des centres métalliques sont reliés entre eux par des ligands organiques. Il est possible, non seulement de faire varier la taille et la géométrie de leurs porosités, mais aussi de moduler leurs compositions chimiques en modifiant à la fois la nature de la brique inorganique et des groupements sur le ligand organique. Cette nouvelle famille de matériaux a fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années pour des applications potentielles dans différents domaines à fort intérêt socio-économique comme le captage ou la séparation de gaz ou bien encore la catalyse. Au-delà d'une stabilité chimique et thermique, ces matériaux doivent être aussi suffisamment résistants mécaniquement pour s'adapter au mieux aux contraintes de l'application visée (mise en forme de l'échantillon, conditions opératoires….). Il est donc impératif de connaître les propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux, sujet qui n'a fait l'objet à ce jour que de très peu d'études. L'objectif de ce travail est donc de mettre en œuvre des mesures de diffraction des rayons X et neutrons sur grands instruments afin de caractériser dans un premier temps le comportement structural du matériau flexible MIL-53 (MIL pour Matériaux de l'Institut Lavoisier) sous l'application d'une pression mécanique modérée (P~1 GPa) en fonction de la nature du métal (Al,Cr) et de la fonction greffée sur le ligand organique (-H, -Cl, -CH3). Ces données expérimentales sont ensuite discutées à partir de résultats issus de la simulation moléculaire. L'étape suivante consiste à étudier l'effet du confinement de molécules de solvants dans les pores de ce solide sur la transition structurale du réseau hôte. Enfin, deux familles de MOFs rigides, la MIL-125(Ti) et l'UiO-66(Zr) (UiO pour Unversité d'Oslo) sont considérées afin de caractériser non seulement leur domaine de stabilité mécanique en pression (Pmax~ 5 GPa) mais aussi leur compressibilité. Les résultats ainsi obtenus sont comparés aux performances mécaniques des meilleurs MOFs. / Metal Organic Framework (MOF) materials have been the focus of intense research activities over the past 10 years, with the emergence of a wide range of novel architectures, constructed from inorganic clusters linked by organic moieties. In order to maintain their useful functionalities and high performances in the different fields explored so far (gas storage/separation, catalysis, sensors and many others), besides high chemical and thermal stabilities, MOFs must be also stable enough to resist to different mechanical constraints in both processing and applications. Indeed, there is nowadays a growing interest to characterize the mechanical behaviours of this class of materials under moderate and high applied pressure. This work first aimed to probe the pressure dependence of the structural behaviour of the highly flexible MIL-53 system [MIL stands for Materials of Institut Lavoisier] as a function of the nature of (i) the metal center (Al,Cr) and (ii) the functional group grafted on the organic linker (-H,-Cl,-CH3) using a combination of high-pressure x-ray/neutron diffraction and molecular simulations. The same methodology was further applied to probe how the presence of guest molecules affects the structural transition of this class of hybrid porous solids. Finally, the mechanical stability and the compressibility of two families of rigid MOFs, the MIL-125(Ti) and the UiO-66(Zr) [UiO stands for University of Oslo] up to high pressure (P~5 GPa) have been investigated and their properties in terms of bulk modulus were compared with the most resilient MOFs reported so far.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Synthese neuartiger Hybridmaterialien basierend auf der Einlagerung optischer Materialien, wie Farbstoffmoleküle und Metallnanopartikel, in anorganische Wirtsmaterialien mit definierten Porenstrukturen. Hierfür wurden mikro- und mesoporöse alumosilikatische Verbindungen, wie z.B. Zeolithe und Vertreter aus der Familie der sogenannten „Mobile Composition of Matter“ (MCM), verwendet. Mit Hilfe dieses Konzeptes konnte z.B. der Einfluss der Wirtsmaterialien hinsichtlich ihrer Porengrößen und inneren Polarität auf die optischen Eigenschaften von photochromen Naphthopyranfarbstoffen untersucht werden. Neue photochrome Kompositmaterialien, welche sich durch einfache industrielle Prozesse, wie z.B. der Extrusion in eine Polymermatrix, weiterverarbeiten lassen, wurden auf diesem Wege synthetisiert. Durch die Einkapselung eines solvatochromen Spiropyranderivats innerhalb der Superkäfige von Faujasiten konnten Rückschlüsse auf die Polaritätsparameter der äußeren und inneren Oberfläche der Molekularsiebe gewonnen werden. Zudem wurde ein neues Synthesekonzept zur Herstellung fluoreszierender Silbernanopartikel innerhalb eines Zeolith Y entwickelt, um auf sehr einfachem Weg ein stabiles Material mit interessanten Fluoreszenzeigenschaften zu erhalten. Der Einfluss der Wirtsoberfläche auf fluoreszierende Farbstoffe wurde des Weiteren an Benzylidenketonfarbstoffen untersucht, die mittels „Ship in a Bottle reaction“ in Zeolith Y eingekapselt wurden. Um das Konzept zur Synthese optischer Effektpigmente zu erweitern, wurden neue photochrome Naphthopyrane, welche in Konjugation zu fluoreszierenden Farbstoffen stehen, synthetisiert und untersucht.

Le travail décrit dans cette thèse a été mené à l'interface entre trois disciplines: l'électrochimie, la science des matériaux et la microbiologie. L'objectif de cette recherche était tout d'abord d'étudier l'activité de bactéries immobilisées dans un film de silice déposé par le procédé sol-gel à la surface d'électrodes. Les applications potentielles de ce travail fondamental sont les biocapteurs, les bioréacteurs ou biopiles. L'encapsulation bactérienne assistée par électrochimie a été développée en utilisant l'électrolyse du sol de départ pour immobiliser la bactérie Escherichia Coli dans une couche mince sol-gel hybride. La combinaison de précurseurs de silice, de chitosan, de poly(ehtylène glycol) et de tréhalose permet de préserver l'intégrité membranaire et l'activité métabolique. L'électrochimie a ensuite été utilisée comme moyen analytique. Shewanella putrefaciens et Pseudomonas fluorescens ont été encapsulées dans un film à base de silice et les réactions de transfert d'électron de la bactérie à différent médiateurs rédox ont été analysées. Des nanotubes de carbone fonctionnalisés par des espèces ferrocène et la protéine rédox cytochrome c ont été utilisés pour faciliter ce transfert électronique au sein de cette matrice de silice isolante, permettant l'obtention d'un biofilm artificiel. Ces deux types de médiateurs, chimique ou biologique, ont conduit à des sensibilités différentes de la bioélectrode à l'ajout du substrat pourvoyeur d'électron en raison des mécanismes différents impliqués pour transférer ces électrons. L'immobilisation de protéines rédox membranaires a également été considérée dans ces couches minces inorganiques pour favoriser la stabilité de la réponse électrocatalytique. Les protéines considérées impliquent des mécanismes de transfert électronique différents, soit direct pour le cytochrome P450 (CYP1A2), soit médié pour la mandélate déshydrogénase. Finalement, l'influence de l'encapsulation dans une matrice sol-gel hybride sur l'infectivité du bactériophage [phi]X174 a été étudiée, montrant l'effet protecteur de la polyéthylènenimine ou du glycérol / The work reported in this thesis has been developed at the interface between three disciplines, i.e., electrochemistry, material science and microbiology. The purpose of this research was first to study the activity of bacteria immobilized in silica-based films prepared by the sol-gel process on electrode surfaces. Potential applications concern biosensors, bioreactors and biofuel cells. Electrochemically assisted bacterial encapsulation has been developed, using sol electrolysis to immobilize Escherichia coli in a hybrid sol-gel layer. The combination of silica precursors, chitosan, poly(ethylene glycol) and trehalose allowed preservation of cell membrane integrity and metabolic activity. Electrochemistry was then considered as an analytical method. Shewanella putrefaciens and Pseudomonas fluorescens have been encapsulated in silica-based films and the electron transfer reactions from bacteria to different redox mediators have been monitored. Single-walled carbon nanotubes functionalized with ferrocene moieties and bovine heart cytochrome c have been considered as redox shuttles to facilitate the electron transfer in the non-conducting silica matrix, leading to the elaboration of artificial biofilms. Interestingly, these two classes of mediator, i.e. chemical and biological, led to different substrate sensitivity because of their different mechanism of interaction with the bacteria. Immobilization of membrane associated redox proteins in sol-gel films have been then considered and applied for electrocatalysis. Direct and mediated electrochemical communication has been investigated between the electrode surface and cytochrome P450 (CYP1A2) or mandelate dehydrogenase, respectively, showing the interest of sol-gel to stabilize the bioelectrocatalytic reaction. Finally, the influence of encapsulation in a hybrid sol-gel matrix on the infectivity of bacteriophage [phi]X174 has been studied and the protective effect of polyethyleneimine or glycerol was shown

La miniaturisation croissante des systèmes électroniques implique de réduire la taille des composants électroniques, en particulier des composants passifs (condensateurs, résistances et inductances), notamment les condensateurs, volumineux et de surcroît nombreux. Pour répondre à cette attente, une des options est d’intégrer « enterrer » les couches capacitives dans le circuit imprimé à base de matériaux composites céramique/polymère. Dans un premier temps, plusieurs types de matériaux composites à base de nanoparticules de céramique (BaTiO3 et BaSrTiO3) et de polyester pour des condensateurs enterrés sont développés. Ensuite, la permittivité ε’ et les pertes diélectriques des composites sont évaluées dans les gammes de fréquences entre [10 kHz – 10 MHz] et [1 GHz – 5 GHz]. En vue d’intégrer ces composants à l’intérieur du circuit imprimé parfois souple et flexible, le comportement piézoélectrique des composites est évalué. La mesure du courant de fuite permettant d’effectuer une analyse qualitative des matériaux composites a été également effectuée.Au niveau de l’étude des condensateurs enterrés dans le circuit imprimé, deux structures de tests ont été réalisées : l’une montée en parallèle et l’autre en série. L’étude est réalisée sur deux gammes de condensateurs. La première est à base de matériau composite stable en fréquence et la seconde varie avec la fréquence. Pour cela, une méthode originale qui permet d’extraire la variation de la permittivité εr (f) à haute fréquence a été développée. La méthode se repose principalement sur l’utilisation des résultats de mesure de la permittivité relative du condensateur en basse fréquence, et les résultats de la valeur de la fréquence de résonance obtenue en simulation électromagnétique.Enfin, pour améliorer la fréquence de fonctionnement des condensateurs enterrés, des règles de conception permettant de comprendre l’influence des vias de connexions et de la géométrie des électrodes sur la fréquence de résonance du dispositif de test sont étudiées. / The increasing miniaturization of electronic systems involves reducing the size of electronic components, in particular passive components (capacitors, resistors and inductors), including capacitors, large and many more. To meet this expectation, one of the options is to integrate "bury" the capacitive layers based on ceramic / polymer composites in the PCB. In a first step, several types of composite materials based on nanoparticle ceramic (BaTiO3 and BaSrTiO3) and polyester for buried capacitors are developed. Then, the permittivity ε' and the dielectric losses of the composites are measured in the ranges of frequencies between [10 kHz - 10 MHz] and [1 GHz - 5 GHz]. To integrate these components within the PCBs sometimes soft and flexible, the piezoelectric behavior of composites is evaluated. The measurement of leakage current to perform a qualitative analysis of composite materials was also made.At the level of the study of buried capacitors in the circuit board, two test structures were carried out: one mounted in parallel and the other in serial. The study is produced in two ranges of capacitors. The study is conducted on two capacitors ranges. The first case, the relative permittivity does not depend on the frequency while in the second case the frequency dependence is taken into account. For this, an original method which allows to extract the permittivity εr(f) variation in high-frequency was developed. The method is mainly based on the use of measurement results of the relative permittivity of low-frequency capacitor, and the results of resonance frequency value obtained by 3D HFSS electromagnetic simulation. Finally, to improve the operating frequency of the buried capacitors, design rules allowing understand the influence of the vias and geometry of electrodes on the resonant frequency of the structures are studied.

The past few decades have witnessed an almost exponential increase in interest in the field of metal organic frameworks (MOFs), which can be evidenced from the large number of scientific articles being published routinely in this area. The MOFs are crystalline hybrid materials built via the judicial use of inorganic metal ions and organic linkers, thereby bridging the gap between purely inorganic and organic materials. The structural versatility and the potential tunability of the MOFs imparts unique physicochemical and thermomechanical properties, which have rendered them immensely useful in the branches of chemistry, material science, physics, biology, nanotechnology, medicine as well as environmental engineering. The MOFs have been shown to be promising as materials for gas storage and separation, sensors, ferroelectric and non-linear optical materials, magnetism, catalysis, drug delivery etc and researchers have been devising strategies to utilize the MOFs to tackle a number of global challenges of the twenty-first century. A survey of the literature reveals that the linear organic linkers, 1,4- benzenedicarboxylic acid (BDC) and 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC), have been the organic linkers of choice for the construction of stable, porous and multifunctional MOFs. The aim of this thesis has been to monitor the effect that the presence of a functional group in between the benzene rings of the BPDC would have on the overall structures and the properties of the MOFs. Thus, as part of the investigations, the preparation of the MOF compounds using 4,4’-sulfonyldibenzoic acid (SDBA) and 4,4’- azodibenzoic acid (ABA) have been accomplished. Along with the conventional hydrothermal and solvothermal synthetic techniques, the liquid-liquid biphasic reaction method was also utilized for the synthesis of some of the compounds. The structures of the compounds were ascertained from single crystal X-ray diffraction technique. Proton conductivity studies were performed on Mn based porous MOFs using AC impedance spectroscopy. The ferroelectric behavior in a Co based porous MOF was established using dielectric and polarization vs electric field measurements. The labile nature of the lattice solvent molecules was established utilizing single crystal X-ray diffraction studies and water sorption experiments. In addition, the site selective substitution in a homometallic MOF and the subsequent conversion to a mixed-metal spinel oxide upon thermal decomposition, have also been studied. Chapter 1 of the thesis is a brief overview of the metal organic framework compounds and summarizes the various important structures that have been reported in literature and the interesting properties that they exhibit. In chapter 2, the proton conductivity behavior, solvent mediated single crystal to single crystal (SCSC) and related structural transformations in a family of Mn and Co based porous MOFs with SDBA have been presented. Also presented are the results of the site selective substitution of Mn by Co in a homometallic Mn based MOF and it’s subsequent decomposition to CoMn2O4 spinel oxide nanoparticles. In chapter 3, the syntheses, structures and the magnetic properties of the pentanuclear Mn5 based MOF compounds with SDBA have been presented. The role of the time and the temperature in the formation of the compounds has also been presented. In chapter 4, the dehydration/rehydration mediated switchable room temperature ferroelectric behavior, the single crystal to single crystal solvent exchange studies and selective gas sorption behavior in an anionic Co based MOF with SDBA has been discussed. In chapter 5, the use of the liquid-liquid biphasic synthetic route in the formation of Zn and Cd based MOFs with ABA has been discussed. Structural transformations between the one dimensional Zn based compounds and the heterogeneous catalytic studies using the Cd based compounds have also been presented.