La catalyse solide acide a été pendant longtemps l'objet d'activité de recherche intense, en particulier pour l'industrie pétrochimique. Aujourd'hui, les catalyseurs solides acides sont de plus en plus étudiés dans d'autres domaines et en particulier dans celles liées à la "chimie verte" et à la valorisation des bioressources, telles que la synthèse de biodiesel et la transformation des polysaccharides. L'objectif de la thèse est d'étudier le potentiel des matériaux poreux sulfonés ayant une porosité contrôlée dans des réactions catalysées par un acide en condition eau surchauffé telle que l'hydrolyse de la cellobiose. Dans une première partie, nous décrivons la préparation et la caractérisation des organosilicates mésoporeux périodiques sulfonés de type SBA-15, SBA-1 et KIT-6 par co-condensation de 1,4-bis (triéthoxysilyl) benzène (BTEB). Les matériaux ont été acidifiés suivant des voies différentes à l'aide de 3-mercaptopropyltriméthoxysilane (MPTMS)/H2O2 ou d'acide chlorosulfonique (ClSO3H). Leur propriété acide a été étudiée par adsorption d'NH3 suivie par calorimétrie et par la réaction de déshydratation d'isopropanol (IPA) comme réaction modèle en phase gazeuse. Contrairement à notre attente, l'adsorption d'NH3 suivie par calorimétrie a mis en évidence l'hétérogénéité de la force des sites suggérant la présence de sites distincts de la sulfonation. Les solides sulfonés avec l'acide chlorosulfonique ont une activité équivalente à celle de la résine sulfonée, Amberlyst 15, mais ils sont moins stables en raison de la libération des espèces de soufre. Les catalyseurs préparés en utilisant un groupement mercapto-propyle suivie d'une oxydation sont moins acides et ils ont donné des niveaux d'activité plus basse dans la réaction de déshydratation d'IPA. Pour l'hydrolyse de la cellobiose, de bonnes performances ont été obtenues à 150°C, mais, ces matériaux se sont montrés instables dans des conditions hydrothermales avec une lixiviation totale de soufre réalisant alors la réaction en phase homogène. Un lavage dans l'eau surchauffée des matériaux contenant des groupements propyles-SO3H conduit à une diminution de leur efficacité dans l'hydrolyse de la cellobiose, mais un gain de stabilité a été obtenu, permettant le recyclage de ces matériaux. Dans une deuxième partie, des répliques carbonées sulfonées par l'acide chlorosulfonique ou l'acide sulfurique ont été synthétisé. La sulfonation par l'acide sulfurique suivi par un lavage dans l'eau bouillante puis un prétraitement thermique à 300°C sous azote, de ces matériaux aboutissent au meilleur catalyseur en termes d'activité/stabilité.

La géothermie est considérée comme une source d'énergie propre et inépuisable à échelle humaine. Actuellement, le rendement des centrales géothermiques est limité à l'exploitation de fluides de températures inférieures à 300°C. L'association de l'activité tectonique et volcanique aux dorsales océaniques fait de l'Islande un lieu où l'extraction de fluides supercritiques (T°>400°C) peut être envisagée. Cette exploitation pourrait multiplier par dix la puissance électrique délivrée par les puits géothermiques. Ces fluides peuvent-ils circuler dans la croûte océanique ? Ce travail propose de contraindre les observations géophysiques et de prédire le fonctionnement des réservoirs hydro-géothermaux de très haute température par l'étude des propriétés physiques des basaltes. La première approche est focalisée sur l'étude de roches ayant accueilli une circulation hydrothermale par le passé. L'étude de ces roches au site ODP 1256, montre que leur porosité est associée à la présence de minéraux d'altération hydrothermale du faciès amphibolite (T°>500°C ). La seconde approche a consisté à recréer en laboratoire les conditions des systèmes hydrothermaux à très haute température afin de prédire les propriétés mécaniques et électriques des basaltes dans ces conditions. Les résultats mécaniques indiquent que la transition fragile/ductile, souvent associée à une forte décroissance de perméabilité, intervient à une température d'environ 550°C. La mise en place d'une cellule de mesure de la conductivité électrique de haute températures a fournit les premiers résultats utiles à l'analyse des données géophysiques. Appliqués aux conditions de la croûte basaltique Islandaise, ces résultats indiquent que des fluides hydrothermaux pourraient circuler au moins transitoirement à l'état supercritique jusqu'à ~ 5 km de profondeur. / Geothermal energy is considered as a green and infinite energy source at human scale. Currently, the yield of geothermal power plants is limited to temperatures of the operating fluid which 300 °C. From tectonic and volcanic activity at mid-ocean ridges, Iceland is a locuswhere supercritical fluid extraction (T > 400° C) can considered for the near future. Exploiting such fluids could theoretically multiply by a factor of ten the electrical power delivered by geothermal wells. Can such fluids circulate at the base of brittle oceanic crust? This work investigates the petrophysical properties of basalts in order to constrain geophysical observations in Iceland and predict the behavior of very high temperature hydro-geothermal reservoirs. The first approach consisted in studying the physical properties of rocks that have hosted deep hydrothermal circulations at oceanic ridges. The study of these rocks at ODP Site 1256 shows that the porosity mea sured both in the field and in the lab is associated with amphibolite facies alteration minerals (T > 500° C). The second approach was to recreate in the laboratory the conditions of pressure, temperature and pore fluid pressure of high temperature to supercritical hydrothermal systems to predict the mechanical and electrical properties of basalts under these conditions. The mechanical results indicate that the brittle/ductile transition occurs at a temperature of about 550° C, where a strong permeability decrease is expected. The implementation and calibration of a new cell for measuring electrical conductivity at high temperature provide the first results for the interpretation of geophysical data. When applied to basaltic crustal conditions in Iceland, these results indicate that hydrothermal fluids could circulate, at least temporarily, in a supercritical state up to 5 km depth.

La carbonisation hydrothermale (HTC) est un procédé de conversion en énergie de la biomasse dans l’eau sous critique (180-250°C) à faibles pressions (10-40 bars). Ce procédé conduit à la production d’un matériau solide carboné appelé "hydro-char". L’objectif de ce travail est d’optimiser le procédé HTC par l’étude des performances de l’hydro-char comme source d’énergie. La biomasse étudiée est un résidu d’extraction d’huile d’olive dénommé grignons d’olive constitués de peau, de pulpe et de noyau (taux d’humidité de 70%). Ces grignons d’origine marocaine ont été préalablement séchés (GOS). Au cours de l’HTC, la biomasse est décomposée via des réactions de déshydratation et de décarboxylation. Les hydro-chars sont moins humides et plus riches en carbone que les GOS. Aussi, ils s’appauvrissent en cendres en les transférant dans la phase liquide. Les hydro-chars ont un PCS plus élevé que celui de la tourbe et de lignite. Les résultats montrent que le rendement et les propriétés de l’hydro-char dépendent surtout de la température du procédé. Pour mieux analyser l’effet des conditions opératoires, l’approche des plans d’expériences a été appliquée pour optimiser et modéliser le procédé HTC. Grâce au plan de Doehlert, on peut relier les propriétés de l’hydro-char avec son rendement massique et son comportement thermique de combustion. La représentation des surfaces de réponses a permis de définir les zones de production d’hydro-char avec ses propriétés permettant d’orienter l’élaboration de l’hydro-char pour répondre aux critères d’une application prédéfinie. Le liquide issu de l’HTC des GOS montre une sensibilité à la variation des conditions opératoires. Le carbone soluble dans ce liquide lui donne un pouvoir polluant. Pour le diminuer, deux procédés de traitement ont été testés: l’évaporation et l’oxydation en voie humide. Les résultats ont montré que la quantité d’eau utilisée pour le traitement est le facteur le plus influent sur le bilan énergétique du procédé HTC. / Hydrothermal carbonization (HTC) allows pre-treating humid biomass in subcritical water (180-250°C) and at low pressures (10-40 bars) in the absence of air. This process produces a carbonaceous solid material called "hydro-char". The main aim of this work is to optimize the HTC process by studying the potential of hydro-char to produce energy. The studied biomass is a by-product of the olive oil industry called olive pomace containing water, residual oil, olive skin, olive pulp, and olive stones (with 70% moisture content). The moroccan olive pomace was first air-dried (DOP) and characterized. During the HTC process, the biomass is decomposed via dehydration and decarboxylation reactions. The obtained hydro-char has much less moisture and higher carbon contents than that of untreated DOP. Also, the hydro-char becomes poor in ashes by transferring them into the liquid phase. Hydro-chars have a higher HHV than that of peat and lignite. The results show that hydro-char mass yield and its properties depend on the process temperature especially. For a better analysis of the effect of operating conditions, a Design of Experiments Response Surface Methodology (DoE/RSM) approach was applied to optimize the HTC process. The DoE/RSM allows identifying a relationship between hydro-char properties and its mass yield and thermal combustion behavior. Response-surface plots show defined areas of production of hydro-char which allows tailoring hydro-char elaboration to a specific application. The process liquid from the HTC treatment of DOP shows a sensibility to operating conditions. The soluble carbon in the HTC liquid increases its polluting power and to decrease it two treatment process have been tested: evaporation and wet oxidation. Finally, the results show that the amount of water used for the hydrothermal treatment is the most influential factor on the energy balance of the HTC process.

Viele neue Technologien basieren auf Materialien die im Nanometerbereich strukturiert sind. Damit diese im großen Maßstab zur Anwendung gebracht werden können, werden Methoden benötigt solche nanostrukturierten Materialien kostengünstig zu produzieren. Magnetische Felder sind eine vielversprechende Möglichkeit die Anordnung von Nanostrukturen zu beeinflussen. In dieser Doktorarbeit wird eine Methode für die Herstellung magnetischer Nanostrukturen in Lösung präsentiert. Die Herstellungsmethode ist skalierbar und kostengünstig. Die synthetisierten Strukturen haben zufällige Formen und bewegen sich unter dem Einfluss eines externen rotierenden Magnetfelds im rechten Winkel zu der Ebene in der das Magnetfeld rotiert. Die dimensionslosen Geschwindigkeiten dieser zufällig geformten Propeller sind vergleichbar mit jenen früher publizierter helikaler Propeller. Das beobachtete Verhältnis zwischen Anregungsfrequenz und Propellergeschwindigkeit konnte mittels eines Drehmomentgleichgewichts verstanden werden. Dieses vertiefte Verständnis der Propellerbewegung ermöglichte eine theoretische Studie zur Kontrolle von Propellerschwärmen. Hierbei werden mehrere Propeller entlang frei wählbarer Bahnen gesteuert. Eine Kontrollstrategie wurde gefunden, welche die magnetische Feldstärke minimiert, die zum Erreichen einer vorgegebenen Genauigkeit nötig ist. Schließlich wurde das kollektive Verhalten von großen Mengen von magnetischen Propellern untersucht. Sowohl zufällig geformte als auch helikale Propeller bilden Zusammenballungen, die im dynamischen Gleichgewicht kreisförmig sind und langsam rotieren. Gleichförmig helikale Propeller ordnen sich in diesen Zusammenballungen hexagonal an. Der Vergleich zwischen Beobachtungen und Simulationen zeigte, dass hydrodynamische Interaktionen für die Bildung der Zusammenballungen nicht notwendig sind, aber dazu führen dass sich eine Randregion bildet, in der die Winkelgeschwindigkeit der Propeller erhöht ist. / New ways to cheaply produce and assemble useful micro- and nanostructures are needed to facilitate their deployment in novel technologies. Magnetic fields are a promising possibility to guide the assembly of nanostructures. This thesis presents a method to synthesize magnetic nanostructures in solution which can be actuated by external rotating magnetic fields. The synthesis method is scalable and can cheaply produce randomly shaped magnetic nanostructures in large quantities. The synthesized structures have random shapes and were observed to propel under the influence of an external magnetic field, perpendicular to the plane in which the external field is rotating. The random shapes move with dimensionless speeds that are comparable to those of previously published, nanofabricated propellers with controlled helical geometries. The observed relationship between actuating frequency and propulsion speed could be understood with a simple torque balance model. This improved understanding opened the door for a theoretical study on swarm control, i.e. the steering of several magnetic propellers along independent trajectories. A particular control strategy (critical control) was found, that minimizes the required magnetic field strength needed to achieve a certain control precision. Finally, the collective behavior of large numbers of propellers, moving upwards against gravity and towards a glass surface, was investigated. Both randomly shaped, as well as nanofabricated propellers were observed to form clusters which are circular and rotate slowly in dynamic equilibrium. The nanofabricated propellers displayed hexagonal ordering inside the clusters. Comparing the observed cluster dynamics to simulations revealed that hydrodynamic interactions between the propellers are not necessary for cluster formation, but lead to the formation of a boundary layer at the cluster edge, in which the angular velocity of the propellers is higher than in the rest of the rotating cluster.

Les sources hydrothermales profondes sont des édifices géologiques formés par l’infiltration d’eau de mer dans la croûte océanique, formant un fluide chaud (>400 °C), riche en métaux qui précipite pour former des cheminées dans lesquelles circulent un courant électrique. Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif de révéler la présence de microorganismes capable de participer à la production de ce courant électrique ou d’utiliser cette électricité pour vivre au sein de ces cheminées électriquement conductrices. Nous nous sommes focalisés sur les microorganismes capables de survivre à haute température (entre 60 et 95°C). Différentes communautés microbienne en interaction et électroactives ont pu être cultivées permettant de poser des hypothèses crédibles quant à la colonisation primaire de ces environnements extrêmes. Ces hypothèses pourraient également s’appliquer aux théories d’origine de la vie en contexte hydrothermal. / Deep hydrothermal vents are geologic structures formed by the infiltration of seawater into the oceanic crust, forming a hot metal-rich fluid (> 400 ° C) that precipitates to form chimneys in which an electric current flows. The purpose of the research presented here was to reveal the presence of microorganisms capable of participating in the production of this electric current or of using this electricity to live within these electrically conductive chimneys. We focused on microorganisms able to survive at high temperatures (between 60 and 95 ° C). Different interacting and electroactive microbial communities have been cultivated, allowing the building of credible hypotheses about the primary colonization of these extreme environments. These hypotheses could also be applied to theories of origin of life in a hydrothermal context.

Les roches vulcanogéniques de la Mine de Seival appartiennent à la Formation Hilário du Bassin de Camaquã, d’âge Néoprotérozoique. Ces roches contiennent six mines inactives avec diverses prospections de cuivre–argent. Les minéralisations semblent associées à un contrôle structurel intense du régime ruptile. La compréhension de la transformation chimique de l’hydrothermalisme associé aux paléo-contraintes est assez faible dans la région. Nous proposons de caractériser la chimie des minéraux des phases magmatiques, tardi–magmatiques et hydrothermales ainsi que de comprendre les contraintes structurales et la géochimie des veines tardives de barytine et calcite. Pour ce faire, nous avons effectué des analyses minéralogiques, et chimiques des phases magmatiques et d’altération. La chimie minérale associée à la modélisation thermodynamique a permis de caractériser l’altération comme tardi– magmatique. L’albitisation (650 à 350 °C) s’est produite en association avec une chloritisation (312 à 120 °C) et avec de la pyrite et de la chalcopyrite. Les températures les plus basses (150 à 50 °C) ont été reliées à la formation de smectite et d’inter-stratifié de chlorite/smectite et avec de la chalcocite–covellite, chalcocite–bornite ou barytine. Nous effectuons les analyses structurales des mesures de cinématique et de la direction des failles/fractures. L’analyse structurale a montré trois contraintes principales survenant dans la Mine Seival et dans le District Minier de Lavras do Sul : compression NW–SW ; compression NE–SW ; distension ENE–SWS. La contrainte NW–SE est la principale direction de contrainte associée à la minéralisation et aux filons minéralisés dans ces deux régions. / The volcanogenic rocks of the Seival Mine belong to Hilário Formation from Camaquã Basin, with ages Neoproterozoic. These rocks contain six inactive mines with various prospects of copper-silver. Mineralization are associated with intense structural control in brittle regime. Chemical transformation of hydrothermal alteration associated with paleostress is not very well understood in the region. We propose a characterization of mineral chemistry of the magmatic phases, tardi–magmatic and hydrothermal as well as understand the paleostress and geochemistry of late veins. For this, we realized analyses of mineral chemistry of magmatic and alteration phase. Mineral chemistry coupled with thermodynamic modeling allowed to characterize the alteration as tardi–magmatic. The albitization (650 to 350 °C) occurred in association with chloritization (312 to 120 °C), and with pyrite and chalcopyrite. The lowest temperatures (150 to 50 °C) were related to formation of smectite and interlayered chlorite/smectite, and with chalcocite–covellite, chalcocite–bornite or barite. We perform structural analyzes through kinematic measures and failure/fracture directions. The analysis on faults, fractures and mineralization showed three main stresses occurring in the Seival Mine and Lavras do Sul Mining District: NW–SE compression; NE–SW compression; ENE–SWS distension. The NW–SE paleostress is the main effort related to the dikes and mineralization in both areas.

La synthèse de matériaux zéolithiques est régie par de nombreux paramètres, en particulier la nature de l'hétéroélément associé au silicium et celle de l'agent organique structurant. Ainsi, l'introduction de germanium dans les milieux réactionnels ainsi que l'utilisation de structurants dérivés d'imidazole, les cations 1-éthyl-3-méthylimidazolium et 1-butyl-3-méthylimidazolium, ont permis la découverte de deux nouveaux solides microporeux nommés respectivement IM-16 et IM-20 et présentant des topologies de charpente inédites (respectivement UOS et UWY). De plus, un troisième germanosilicate poreux nommé IM-17 a été obtenu en présence du cation décaméthonium. Chacun de ces trois matériaux possède un système tridimensionnel de canaux avec des ouvertures de 8 et 10 atomes T (IM-16) ou de 10 et 12 atomes T (IM-17 et IM-20), ainsi que des unités de construction composites d4r au sein de leur charpente. Enfin, une partie importante du travail a été consacrée à l'élaboration de molécules structurantes originales (dérivés du décahydro-dicyclopenta[b,d]pyrrole) puis de leur emploi en synthèse hydrothermale. Ces essais ont permis d'obtenir divers matériaux déjà connus, parmi lesquels les zéolithes IM-12 (UTL), ITQ-7 (ISV), ITQ-17 (BEC) et ITQ-21.

Parmi les matériaux piézoélectriques monocristallins, le quartz est le plus utilisé. Cependant ses performances intrinsèques atteignent leurs limites pour les applications émergentes. Des relations entre la distorsion structurale du matériau et ses propriétés physiques et piézoélectriques ont été établies. Il en ressort que la substitution du silicium par du germanium au sein du réseau cristallin est une voie prometteuse pour améliorer les propriétés du quartz, notamment le coefficient de couplage et la stabilité thermique de la phase de type quartz-α. Les cristaux Si1-xGexO2 obtenus par croissance en milieu hydrothermal sont caractérisés par microsonde électronique, spectroscopie Raman à haute température (jusqu'à 1100°C) et diffraction des rayons X. L'affinement des paramètres structuraux montrent que le germanium en se substituant au silicium engendre une distorsion de la structure cristalline. Cette distorsion augmente avec la fraction atomique en Ge et a pour effet de stabiliser la phase de type quartz-α tout en réduisant le désordre dynamique même à haute température.

L'objectif de la thèse est de créer une collection de roches et minéraux analogues pour calibrer et tester les futurs (et existants) instruments de vol, en accord avec la géologie de Mars afin de préparer les futures missions in situ (MSL-2011 et ExoMars-2018). Les échantillons sont caractérisés avec des instruments de laboratoire (microscope, Raman, IR, DRX, MEB, microsonde électronique, et ICP-MS), mais aussi avec des instruments de vol en développement (Mössbauer MIMOS II, les spectromètres ExoMars Raman et IR (MicroOmega)). L'ensemble des échantillons sont décrits sur une base de données en ligne à l'adresse : www.isar.cnrs-orleans.fr. Une partie de cette thèse est dédiée au développement d'un instrument de cathodoluminescence, qui peut être adapté au spatial. L'étude des processus d'altération des basaltes sur Terre montrant des similarités avec les processus de surface et de subsurface présent sur Mars, permet d'aider à mieux comprendre et interpréter les objets sur Mars. Pour cela, et pour compléter la collection, des basaltes altérés dans des conditions hydrothermales et acides ont été collecté dans la mine de Skouriotissa à Chypre. L'évolution minéralogique des basaltes à travers les différents facies d'altération a été étudiée. Parce que les basaltes terrestres sont plus pauvres en Fe et Mg que les basaltes martiens, deux basaltes artificiels ont été synthétisé. Ces deux échantillons sont différents en terme de refroidissement (~110°C/h et trempé). On note que le basalte refroidi lentement montre des textures spinifex similaires aux komatiites. Si ce type de basalte est présent sur Mars, et altéré en présence d'eau, ceci peut avoir d'importantes implications exobiologiques.

Le massif de Combeynot, sur la bordure nord-orientale du massif du Haut-Dauphiné (massifs cristallins externes, Alpes Françaises) est constitué de deux unités fondamentales (1) un socle, déformé et métamorphisé, représenté par un ensemble migmatitique et un orthogneiss oeillé ; ce socle se rattache aux formations du noyau du massif du Haut-Dauphiné, (2) un complexe annulaire subvolcanique, intrusif dans le socle, composé de formations volcaniques et volcano-détritiques, d'un réseau filonien microgranitique et rhyolitique très dense, de deux unités granitiques disposées de manière concentrique et de filons doléritiques tardifs terminant l'épisode magmatique. Une étude comparative sur la pétrographie, la structure, la typologie des zircons et la géochimie des éléments majeurs, en traces (Y, Nb, Zr, Rb, Sr, U, Th, Hf, Sc, Cs et Ta) et Terres Rares du complexe de Combeynot ont permis de retracer l'histoire magmatique de la série et de tester sa signification géodynamique. Le magmatisme de Combeynot est de nature alcaline intraplaque et traduit un environnement géotectonique de distension. Il trouve son origine dans le manteau à partir duquel plusieurs magmas subcontemporains s'individualisent par des taux de fusion partielle différents et conduisent aux unités acides par cristallisation fractionnée. Leur mise en place superficielle dans une zone orogénique encore non consolidée, riche en fluides et la participation des phases fluides juvéniles et/ou des eaux météoriques conditionnent la nature pétrographique acide, sursaturée et subsolvus des unités granitiques du complexe ainsi que les processus d'altération hydrothermale post- et tardi- magmatiques.