Les aérosols marins représentent près de la moitié des particules émises dans l’atmosphère. Par ailleurs, l’activité biologique dans les océans génère des composés organiques soufrés qui sont émis dans la troposphère sous forme gazeuse ou sont transportés avec les particules de sels de mer. Ces particules exposées aux gaz atmosphériques, au rayonnement solaire et à l’humidité sont sujettes aux modifications physicochimiques. L’étude de ces processus de transformations en laboratoire est indispensable à une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans ces processus, et de l’impact des aérosols sur les propriétés physiques et chimiques de l’atmosphère. Dans ce travail, les évolutions photochimiques de composés inorganiques et organiques soufrés, analogues de composés d’origine marine, ont été étudiées en phase gaz, en matrice cryogéniques et à l’échelle des particules individuelles par spectroscopie. Le dispositif de lévitation acoustique couplé à la microspectrométrie Raman se révèle être un outil pertinent pour étudier les mécanismes de photochimie à l’échelle de la particule. L’impact de la phototransformation des particules de NaNO3 sur leurs propriétés d’hygroscopicité a été démontré. Les études menées en matrice cryogénique sont particulièrement intéressantes pour l’étude des processus unimoléculaires impliqués dans la photodégradation de composés organiques soufrés et complémentaires des études en phase gaz. Les composés formés par photolyse en phase gaz et en phase condensée sont d’intérêt atmosphérique et ont un impact potentiel sur le bilan du soufre atmosphérique. La présence de dioxygène et d’eau modifie les mécanismes et la nature des photoproduits. / Marine aerosols represent more than half of the global emission of particles into the atmosphere. Furthermore, sulfur organic compounds are generated by biological activities in the oceans and are emitted into the troposphere in the gaseous phase or are transported with sea-salt particles. These particles are subject to physicochemical changes due to atmospheric gases, sunlight and humidity exposure. The study of these transformation processes in the laboratory is essential for a better understanding of the mechanisms which are involved in these processes, and of the aerosols impact on the physical and chemical properties of the atmosphere.In this work, the photochemical evolutions of inorganic and sulfur organic compounds, similar to compounds of marine origin, have been studied by spectroscopy in the gas phase, in cryogenic matrix and at the single particle scale. The acoustic levitation system coupled to micro-Raman spectrometry is a relevant tool for studying the photochemical mechanisms at the particle scale. The impact of the phototransformation of NaNO3 particles on their hygroscopic properties has been demonstrated. The experiments carried out in cryogenic matrix are especially interesting for the study of unimolecular processes involved in the photodegradation of the sulfur organic compounds and are complementary to studies in gas phase. The compounds produced by photolysis in gas phase and condensed phase are of atmospheric interest and have a potential impact on the atmospheric sulfur balance. The presence of oxygen and water modified the mechanisms and the nature of the photoproducts.

L’étude des silicates fondus présente un intérêt dans divers domaines de recherche comme la géologie ou la fabrication des verres avec des applications technologiques importantes telles que par exemple, le confinement des déchets nucléaires. Ces recherches demandent des informations fondamentales sur la structure et la dynamique de ces liquides au niveau microscopique mais l’acquisition des données est très souvent limitée par les températures de fusion élevées des composés étudiés. Notre travail s’est donc basé sur l’utilisation de techniques sans contact afin de s’affranchir de cette difficulté. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’étude des propriétés structurales et dynamiques de divers aluminosilicates de calcium (CAS) fondus. Pour cela, nous avons développé un dispositif utilisant la lévitation aérodynamique afin d’effectuer des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons. En combinant ces mesures avec la diffusion inélastique des rayons X, nous avons pu obtenir des résultats sur la dynamique microscopique des CAS à l’état liquide ainsi que dans le régime de surfusion. En particulier, nous avons pu déterminer l’évolution de la viscosité avec la température et les coefficients de diffusion cohérents. Nous avons pu aussi étudier l’évolution de la dynamique de ces verres en fonction de l’augmentation de la quantité de silice dans la composition. En parallèle de nos travaux sur la dynamique, nous avons aussi réalisé des expériences de diffraction de neutrons et de rayons X sur les mêmes compositions et températures afin d’examiner l’ordre atomique local et essayer de le corréler aux propriétés dynamiques observées. / Because of their interesting properties as glass-forming systems, molten silicates play an important role in the geology of the Earth’s crust and mantle and are also of industrial interest for nuclear waste treatment. Research in these areas requires fundamental information on the microscopic structure and dynamics of silicate melts, but such measurements are hampered by the very high melting points of these systems. By extending the technique of aerodynamic levitation to inelastic neutron scattering, and also making use of inelastic synchrotron x-ray scattering, we have obtained results on the microscopic dynamics of silicates both above the melting point and in the supercooled regime. In particular, we have determined the temperature evolution of the viscosity and diffusion coefficient of calcium aluminosilicates, and thereby quantified the decrease in fragility of this glass-forming system as a function of increasing silica content. In parallel with our dynamical studies, we have performed x-ray and neutron diffraction experiments on the same compositions and temperatures in order to examine the local chemical order pertinent to the observed dynamical properties.

L’utilisation de paliers magnétiques est de plus en plus fréquente étant donné les avantages que cette technologie apporte. En effet, ces derniers permettent de léviter un objet rotatif grâce à un champ magnétique. Un roulement à billes peut être substitué par un palier magnétique. Cette substitution permet de réduire les entretiens, diminuer les pertes par friction et augmenter la durée de vie du système. Des applications nécessitant d’hautes vitesses de rotation et des pertes réduites constituent des situations exemplaires de l’utilisation de cette technologie. Un palier magnétique est une technologie avec de nombreux avantages et certains inconvénients. Par exemple, un palier magnétique hybride est un système naturellement instable et la force d’attraction magnétique est une équation fortement non-linéaire en fonction du courant et de l’entrefer. Ces caractéristiques démontrent qu’une loi de commande est nécessaire afin de stabiliser le palier magnétique. De plus, la loi de commande doit être précise et rapide. Les principales applications d’un palier magnétique incluent une rotation de l’objet en lévitation. Ceci nécessite une erreur en régime permanent nulle et une commande ajustable rapidement afin d’assurer une stabilité en tout temps. Ce mémoire traite de la validation expérimentale d’une loi de commande linéaire sur un palier magnétique sans rotation jumelant des aimants permanents et des électroaimants. Dans la littérature actuelle, la plupart des études portent sur les paliers magnétiques actifs, c’est-à-dire qui ne comportent que des électroaimants. L’ajout d’aimants permanents diminue la consommation énergétique du palier magnétique mais augmente la complexité de la loi de commande. Le présent mémoire démontre qu’il est possible de stabiliser un palier magnétique hybride homopolaire en utilisant une loi de commande linéaire tel le PID (proportionnel, intégral, dérivé). Cette étude apporte des nouvelles données à la littérature, en validant à l’aide d’un montage expérimental la loi de commande conçue et simulée à partir de MATLAB[indice supérieur MC].

Dans le domaine de la microrobotique, la manipulation d'objets de petites tailles (micromécanismes, cellules, etc...) est courante. Afin de caractériser les interactions aux dimensions de travail considérées, la mesure de force en microrobotique est nécessaire. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de forces qui repose sur un principe de lévitation magnétique passive et ne nécessitant pas d'asservissement pour assurer la lévitation. Les dimensions globales du capteur n'excèdent pas un volume total de 170 mm x 100 mm x 60 mm. Le capteur est composé d'une tige en matériau polymère, servant d'effecteur, sur laquelle sont fixés deux aimants permanents. L'ensemble tige et aimants permanents lévite entre deux plaques de graphite à l'aide d'une configuration particulière d'aimants porteurs. La mesure de force avec le capteur développé peut se faire principalement suivant trois directions. L'utilisation de ce capteur permet de couvrir une plage de mesure deforce allant de quelques dizaines de nanonewton (nN) à plusieurs milliNewton (mN) avec une résolution de mesure de l'ordre du nanoNewton (nN). Les modèles magnétiques et diamagnétique développés permettent de déterminer les forces qui s'appliquent sur l'effecteur par le biais de la connaissance de la position spatiale de la tige. En terme applicatif, le capteur de forces est actuellement utilisé pour la détermination des caractéristiques mécaniques de cellules humaines de type ovocyte. Ce travail est mené en étroite collaboration avec l'équipe de fécondation in vitro du CHU de Besançon.

La lévitation est un moyen fascinant de se soustraire à l'action de la gravité. Le diamagnétisme est le seul phénomène physique permettant une lévitation stable, statique et passive à température ambiante. Toutefois, cet effet magnétique est généralement insignifiant aux échelles usuelles. Parmis les différents moyens d'augmenter l'amplitude de ce phénomène, la réduction d'échelle est une voie prometteuse. Ces travaux contribuent à l'exploration des possibilités et des potentialités de la lévitation dans le domaine des microsystèmes. La diminution en taille permet d'une part d'augmenter les forces diamagnétiques volumiques et d'autre part de diminuer les forces diamagnétiques absolues. Ces propriétés ont été mises en oeuvre à travers la conception et la fabrication de microcapteurs (accéléromètre, inclinomètre, capteur de force) et de microactionneurs (manipulation de microparticule par inclinaison ou au moyen d'un laser). Ces réalisations ouvrent des perspectives novatrices et des fonctionnalités nouvelles dans le micromonde.

Nous présentons une série d'expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d'aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l'eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l'équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d'une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules " dansent " autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l'origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l'interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu'elle est déterminée par le mécanisme d'accrochage-décrochage de la ligne de contact.

Cette thèse concerne l'étude d'une famille de μ-actionneurs magnétiques en lévitation asservie.<br />Le principe est celui d'un aimant mobile ayant deux positions stables et une position instable. Parmi<br />les différentes applications de cette structure, un μ-positionneur est étudié plus en détails, avec la<br />conception, la modélisation et la réalisation d'une maquette centimétrique de ce μ-positionneur<br />asservi. La conception de μ-positionneur comprend l'étude du capteur capacitif de position et une<br />synthèse du correcteur pour l'asservissement. La modélisation introduit deux méthodes de calcul de la<br />force et du couple magnétostatiques exercés sur l'aimant mobile: méthode de charge équivalente et<br />méthode d'intégration volumique. Les deux méthodes sont validées et puis utilisées pour déterminer<br />la trajectoire de l'aimant mobile comportant 6 degrés de liberté. Une méthode mathématique utilisant<br />les quaternions est mise en oeuvre. La modélisation permet l'analyse du comportement de différents<br />μ-actionneurs magnétiques ainsi que la vérification de la stabilité de l'asservissement. La réalisation<br />de la maquette centimétrique décrit la fabrication d'un prototype ainsi que la réalisation de<br />l'électronique pour capter la position de l'aimant mobile. L'aimant mobile sur la maquette est<br />finalement asservi en lévitation.

L'étude des silicates fondus présente un intérêt dans divers domaines de recherche comme la géologie ou la fabrication des verres avec des applications technologiques importantes telles que par exemple, le confinement des déchets nucléaires. Ces recherches demandent des informations fondamentales sur la structure et la dynamique de ces liquides au niveau microscopique mais l'acquisition des données est très souvent limitée par les températures de fusion élevées des composés étudiés. Notre travail s'est donc basé sur l'utilisation de techniques sans contact afin de s'affranchir de cette difficulté. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des propriétés structurales et dynamiques de divers aluminosilicates de calcium (CAS) fondus. Pour cela, nous avons développé un dispositif utilisant la lévitation aérodynamique afin d'effectuer des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons. En combinant ces mesures avec la diffusion inélastique des rayons X, nous avons pu obtenir des résultats sur la dynamique microscopique des CAS à l'état liquide ainsi que dans le régime de surfusion. En particulier, nous avons pu déterminer l'évolution de la viscosité avec la température et les coefficients de diffusion cohérents. Nous avons pu aussi étudier l'évolution de la dynamique de ces verres en fonction de l'augmentation de la quantité de silice dans la composition. En parallèle de nos travaux sur la dynamique, nous avons aussi réalisé des expériences de diffraction de neutrons et de rayons X sur les mêmes compositions et températures afin d'examiner l'ordre atomique local et essayer de le corréler aux propriétés dynamiques observées.

Nous étudions à travers plusieurs expériences la dynamique spéciale engendrée par des objets non mouillants. Un liquide en état Leidenfrost est autopropulsé lorsqu’on le pose sur un substrat texturé avec des rainures formant un motif à chevrons: les textures canalisent l'écoulement de vapeur dans une direction bien définie de sorte que ces aéroglisseurs liquides sont entraînés par la vapeur sous-jacente. Ces objets déformables subissent très peu de friction sur une surface plane. Toutefois, sur des substrats crénelés, les impacts sur les textures créent une friction spéciale qui est également étudiée. Nous étendons ce scénario d'entraînement visqueux dans d'autres situations où le liquide est remplacé par une plaque solide. Pour permettre la lévitation, on le place sur un substrat poreux à travers lequel de l'air est soufflé. Une fois de plus, l’écoulement est rectifié par des textures permettant l’entraînement d’une lamelle de verre dans un mouvement de translation ou même de rotation. Si nous augmentons la profondeur des textures, le confinement est perdu et on observe un mouvement dans la direction opposée dû à l'effet fusée. Nous nous intéressons également à une situation de non mouillage particulièrement simple: la goutte en chute libre. Nous abordons le problème de l’issue de cette chute: l'impact. Nous étudions d'abord l'impact d'une goutte sur un tamis. Dans cette situation, le liquide passe à travers les trous ou est arrêté par les sections bouchées. Nous nous concentrons ensuite à la force d’impact subie par le substrat. Nous la mesurons et la calculons en fonction des caractéristiques du liquide, de l’impact, et de la nature du substrat. / We investigate through several experiments the special dynamics generated by non-wetting objects.On a substrate textured with grooves forming a herringbone pattern, a Leidenfrost levitating liquid is propelled: the textures channel the vapor flow in a well-defined direction so that the slider above is driven by vapor viscosity. These deformable objects undergo very little friction on flat surfaces. However, on crenelated substrates, impacts on the texture sides greatly enhance dissipation. We extend this entrainment scenario to other situations where the liquid (and its deformable nature) is not involved anymore. A solid plate can levitate over a porous substrate through which air is blown. Again, escaping flow can be rectified by the textures and entrain the plate, leading to translation movement or even to rotation. If we create deeper channels (hence losing flow confinement), we observe motion in the opposite direction due to “rocket effect” (conservation of momentum). We are also interested in an extreme non-wetting situation: the falling drop. Indeed, all along the fall, the drop only experiences air drag friction, easily reaching high speeds. We tackle the problem of the dramatic issue of this fall: the impact. We first study the impact of a drop on a sieve. In this situation intermediate between a solid wall and no obstacle at all, mass either passes through the holes or gets stopped by the closings. We then focus on the impact force experienced by the substrates and characterize the force as a function of the drop and impact properties, but also of the nature of the solid on which impact takes place.

Aux petites échelles, les équilibres physiques sont bouleversés. En particulier, les forces de contact, de friction et d'adhésion deviennent prépondérantes au regard des autres effets, perturbant ainsi la manipulation des entités appartenant au micro-monde.<br />Ce travail apporte une contribution aux techniques de micromanipulation sans contact dans les microsystèmes intégrés. En nous appuyant sur le principe de la lévitation diamagnétique, qui bénéficie très favorablement de la réduction d'échelle, nous supprimons tout contact physique entre les dispositifs et les microparticules manipulées.<br />Ce point clé nous a permis de démontrer, à travers des structures intégrées et/ou prototypes, la faisabilité d'une microfluidique digitale dans l'air et sans contact, et entre autres le confinement, le micropositionnement et l'actionnement sans contact de divers bioparticules. Ces réalisations ouvrent des perspectives intéressantes au développement de microréacteurs biochimiques sans contamination.