L’étude des effets quantiques nucléaires (NQE) suscite de plus en plus d’intérêt. En effet, les effets quantiques comme l’effet tunnel ou l’énergie de point zéro, peuvent profondément modifier les propriétés de matériaux constitués d'atomes légers comme l'hydrogène. Les méthodes standards de simulation des NQE sont basées sur les intégrales de chemin. Le bain thermique quantique (QTB) constitue une alternative à ces méthodes: le principe est que les degrés de liberté classiques du système obéissent à une équation de Langevin et sont couplés à des oscillateurs harmoniques quantiques. Dans l’équation de Langevin classique, la force aléatoire est un bruit blanc et le théorème de fluctuation-dissipation classique est vérifié; avec le QTB, le théorème de fluctuation-dissipation quantique est vérifié. Nous étudierons à travers des modèles simples la validité et les limites du QTB et montrerons qu'il permet de simuler des systèmes de la matière condensée en incluant les NQE en générant leurs propriétés structurales et dynamiques. Nous montrerons que le QTB est particulièrement adapté à l’étude de la symétrisation de liaisons hydrogènes et permet d'identifier précisément une pression de transition. Celle-ci dépend de la distance entre deux oxygènes voisins comme dans la glace sous haute pression, mais est modifiée par la présence d'impuretés ioniques ou par l'environnement atomique des liaisons hydrogènes comme dans la phase delta de AlOOH. De plus, en comparant des simulations classiques à des simulations QTB, nous pouvons identifier les rôles respectifs des effets quantiques et thermiques dans ces transitions de phase. / Increasing interest has risen for nuclear quantum effects (NQE) in the recent past. Indeed, NQE such as proton tunneling and zero point energy often play a crucial role in the properties of hydrogen-containing materials. The standard methods to simulate NQE are based on path integrals. An alternative to these methods is the Quantum Thermal Bath (QTB): it is based on a Langevin equation where the classical degrees of freedom are coupled to an ensemble of quantum harmonic oscillators. In the classical Langevin equation, the random force is a white noise and fulfills the classical fluctuation-dissipation theorem, while within the QTB formalism, it fulfills the quantum fluctuation-dissipation theorem. We investigate through simple models the reliability and the limits of the QTB and show that the QTB enables realistic simulations including NQE of condensed-phase systems, generating static and dynamic information such as pair correlation functions and vibrational spectra which can be confronted with experimental results. We show that the QTB is particularly successful in the study of the symmetrization of hydrogen bonds in several systems. Indeed, the difficulty lies in the identification of a precise transition pressure since this phase transition is often blurred by quantum or thermal fluctuations. In high-pressure ice, it depends on the oxygen-oxygen distance but it can be affected by ionic impurities and by the asymmetric environment of hydrogen bonds as in the delta phase of AlOOH. Moreover, by comparing results from QTB and standard ab initio simulations, we are able to disentangle the respective roles of NQE and thermal fluctuations in these phase transitions.

Dans le contexte actuel de constante amélioration des propriétés des matériaux polymères et de l’optimisation de leur impact environnemental, la recherche se tourne de plus en plus vers les polymères biosourcés et biodégradables. Le travail de cette thèse consiste en la synthèse et le développement de nouveaux réseaux thermoréversibles à base d’acide polylactique (PLA). Cette thermo-réversibilité est assurée grâce à des interactions dynamiques comme les liaisons hydrogène et la réaction réversible de Diels-Alder. Une biomolécule, le gluthation, a été conjuguée au polymère et utilisée comme générateur de liaisons hydrogène. Ces travaux ont permis la réalisation d’une large gamme de matériaux avec des propriétés uniques comme l’autoréparation et des températures de réversibilité très variées, approchant pour certains échantillons, celle du corps humain / In the current context to constantly improve the properties of polymer materials as well as their environmental impact, the research on polymers is increasingly focused on biobased and biodegradable polymers. The aim of this work consists on the synthesis and development of new polylactic acid-based thermoreversible networks. This thermoreversible character is ensured thanks to dynamic interactions such as hydrogen bonds and the reversible Diels-Alder reaction. In a second time, a biomolecule was conjugated to the polymer and was used as a hydrogen bonds generator. This allowed the production of a wide range of materials with varied reversibility temperatures and unique properties such as self-healing ability. For some samples, the reversibility temperatures were approaching the human body temperature

Le travail de cette thèse vise à contrôler la formation d'une structure fortement ordonnée à l'échelle supramoléculaire d'un liquide associé, par dilution dans un liquide aprotique, le toluène, ou par confinement dans des silicates mésoporeux, le MCM-41. Le tert-butanol est probablement l'une des molécules les plus simples qui forme des agrégats stabilisés par liaisons d'hydrogènes. En volume, une forte perturbation de la distribution des agrégats est étudiée dans le mélange par la diffusion de neutrons (disparition du prépic), la diffusion Raman (disparition des agrégats de types n-mères) et par la RMN (déplacement chimique du proton hydroxyle). Sous confinement, un phénomène remarquable de nanoségrégation des mélanges dans les pores conduit à des structures concentriques tubulaires de type coeur-gaine. Ces nanostructurations peuvent être similaires à une nano-démixtion induite par l'interface des pores, dont l'observation pour un mélange miscible et homogène macroscopiquement est tout à fait originale. En plus, la variation de la densité et des fluctuations de la concentration à l'échelle mésoscopique a été observée sous confinement par des mesures de diffraction s'appuyant sur l'effet de contraste isotopique. Enfin, l'étude de la dynamique vitreuse et rotationnelle, mesurée par spectroscopie diélectrique, montre une distribution importante des modes de relaxation. Le comportement non-trivial des propriétés dynamiques indique la présence d'une compétition entre effets de dilution, d'interaction de surface et de nanoségrégation.

L'organocatalyse asymétrique est un domaine en plein développement. L'immobilisation de ce type de catalyseurs pourrait présenter de multiples avantages. Ces travaux de thèse s'intéressent à la préparation de silices hybrides organiques/inorganiques par voie sol-gel et aux applications de ces matériaux en organocatalyse asymétrique. La première partie du manuscrit est consacrée à une présentation bibliographique du sujet. Dans la deuxième partie, l'utilisation de la L-proline comme modèle est décrite. Des matériaux contenant un fragment L-proline ont été préparés et leurs performances catalytiques évaluées pour une réaction d'aldolisation asymétrique. Les processus à l'origine des propriétés catalytiques modérées de ces catalyseurs supportés sont discutés. La troisième partie porte sur le catalyseur de Takemoto, organocatalyseur bifonctionnel contenant un groupement donneur de liaisons hydrogène et une fonction amine tertiaire. Les différentes stratégies envisagées pour préparer des dérivés silylés de ce catalyseur sont exposées. Enfin, la nanostructuration de silsesquioxanes par le biais de liaisons hydrogène entre fonctions thiourée est présentée. / Asymmetric organocatalysis is a blossoming area of research. Immobilisation of this kind of catalysts could present numerous advantages. This thesis deals with the sol-gel synthesis of organic/inorganic hybrid silicas and their applications in asymmetric organocatalysis. The first part of this work is dedicated to a bibliographic presentation of this area of research. In the second part, the use of L-proline as a model is described. Hybrid materials containing a L-proline component were prepared and their catalytic performances were evaluated in an asymmetric aldolisation reaction. The processes accounting for the moderate performances of these materials are discussed. The third part relates the synthetic strategies used to prepare silylated derivatives of the Takemoto catalyst, a bifunctional catalyst containig a H-bond donnor and a tertiary amine. Finally the nanostructuring of bridged silsesquioxanes through H-bonding interactions between thiourea cross-linkers is presented.

Les silicones auto-cicatrisants de façon autonome (sans stimulus externe) présentent de faibles propriétés mécaniques, limitant leur utilisation industrielle. L’objectif de cette étude était de dépasser cette limitation. Nos travaux se sont intéressés aux copolymères segmentés PDMS-urée constitués de blocs souples (SS) et rigides (HS). Tout d’abord, nous avons étudié la relation entre la structure des bis-urées et les propriétés macroscopiques. Nous avons ainsi montré que la symétrie des HS gouverne la rigidité de ces matériaux. Toutefois, la présence de HS symétriques inhibe la cicatrisation du matériau. Puis, nous avons développé un nouveau concept permettant d’accélérer leur cinétique de cicatrisation. Un stoppeur de chaine macromoléculaire a été ajouté à la formulation de ces silicones thermoplastiques, créant un défaut dans l’assemblage supramoléculaire, conduisant à des clusters organiques plus petits et plus dynamiques. Néanmoins, contrairement aux plastifiants, la chute du module de Young observée par rapport à la matrice est limitée. D’ailleurs, nous reportons la synthèse d’un copolymère PDMS-urée avec un module de traction de 1MPa dont 90% de la contrainte à rupture peut être récupérée après cicatrisation pendant 24h à 25°C. Ce concept a aussi été adapté à un thermoplastique commercial (GENIOMER80). Enfin, notre défi a été d’optimiser la balance entre rigidité et autocicatrisation. Dans ce contexte, nous avons synthétisé de nouvelles matrices plus rigides, ainsi que des additifs avec des groupements associatifs de plus grande énergie cohésive. Nous avons alors pu repousser la limite de rigidité accessible aux silicones auto-cicatrisants de façon autonome (3MPa). / Autonomous self-healable (without external stimulus) silicones exhibit too low mechanical properties restricting their use in industry. The aim of this study was to overcome this limitation. We focused our work on segmented PDMS-urea copolymers made of soft (SS) and hard segments (HS). First the investigation of the relationship between the bis-urea chemical structure and the macroscopic properties was made. Results shown that, the symmetry of HS governs materials rigidity. Moreover, with a too symmetrical HS, the material does not exhibit self-healing abilities. We have developed a new concept improving the healing efficiency of these materials. The idea was to add to the formulation of these silicone thermoplastics a macromolecular chain stopper. The new additive creates a defect in the supramolecular assembly which leads to smaller and more dynamic H-bonding clusters and hence a faster healing kinetic. Unlike plasticizers, this additive deteriorates the tensile modulus only marginally. We therefore report a stress at break recovery of 90% after 24 hours at room temperature for a PDMS-urea copolymer with a tensile modulus of 1MPa. The concept was also extented to a commercial thermoplastic (GENIOMER80). Finally, our last challenge was to manage the balance between rigidity and chains dynamics allowing self-healable materials with good mechanical properties. In this context we have synthesized new matrixes with higher HS percentage and additives with stickers with higher cohesive energy. These new syntheses have led to an improvement of the rigidity limit reachable by the autonomous self-healable silicones (3MPa).

Les propriétés des matériaux découlent en partie de leur organisation à l’échelle nano ou microscopique. Dans cette thèse, on montre qu’en contrôlant la chimie aux interfaces, des organisations très régulières peuvent être obtenus spontanément dans divers matériaux polymères.Dans une première, la chimie supramoléculaire a été utilisée pour contrôler l’organisation en masse de polymères greffés à une ou deux de leurs extrémités par la thymine (Thy) ou la 2,6-diamino-1,3,5-triazine (DAT), deux unités supramoléculaires complémentaires s’associant par liaisons hydrogène. Quelque soit la nature de la chaine polymère (PE, PDMS, PPG), les matériaux présentent des organisations lamellaires nanoscopiques très régulières lorsque l’unité terminale (Thy) et/ou la chaine (PE) cristallisent. Les contributions respectives à ces organisations de la ségrégation de phase, de la cristallisation, des liaisons supramoléculaires et des interactions secondaires ont été déterminées. Il a été montré que le confinement des chaines polymères dans les lamelles empêche la formation de chaines de grandes masses molaires. Cependant, les interactions supramoléculaires Thy/DAT permettent de former des copolymères à blocs supramoléculaires en mélangeant des chaines incompatibles fonctionnalisées par ces unités.Dans une seconde partie, nous avons montré que la texturation spontanée de films acrylates photopolymérisés à l’air est gouvernée à l’interface formulation/air par l’équilibre des cinétiques de polymérisation et d’inhibition par l’oxygène. Des morphologies microscopiques très régulières, hexagonales, lamellaires ou cacahuètes, sont obtenues en contrôlant différents paramètres expérimentaux et ce pour une large gamme d’épaisseur de film (6 µm – 2 mm). L’auto-texturation confère aux films des propriétés optiques singulières (flou, clarté) qui peuvent être modulées en ajustant les caractéristiques de la morphologie. / Materials properties very often derive from their nano or micro-scale organization. In this thesis, we evidence that controlling the chemistry at the interfaces allows obtaining spontaneously very regular organizations in various polymer materials.In the first part, supramolecular chemistry has been used to control the organization in the bulk of polymer grafted at one or both extremities by thymine (Thy) or 2,6-diamino-1,3,5-triazine (DAT), two self-complementary supramolecular units interacting via hydrogen bonds. Whatever the polymer nature (PE, PDMS, PPG), materials present very regular nanoscale long-range ordered lamellar organizations if the end group crystallize (Thy) and/or the chain crystallize (PE). Respective contributions to these organizations of phase segregation, crystallization, supramolecular interactions and secondary interactions have been determined. It was shown that the confinement of chains in lamellae prevent the formation of high molecular weight chains, resulting in poor mechanical properties. However, Thy/DAT interactions allow creating supramolecular block copolymers by mixing incompatible chains functionalized with these units.In the second part, we have studied the spontaneous formation of patterns at the film surface of acrylate film during their photopolymerization under air. This phenomenon occurs if there is a balance at the film surface between the polymerization and the oxygen inhibition rates. Very regular microscale patterns (hexagons, lamellae, peanuts) have been generated by controlling some experimental parameters (UV intensity, initiator concentration) for a wide range of film thicknesses (6 µm – 2 mm). Self-patterning gives interesting optical properties to the films (haze, clarity) which can be modulated by adjusting the patterns wavelength and amplitude.

Cette thèse a eu pour objectif l'élaboration de matériaux hybrides auto-assemblés à base de poly(3-hexylthiophène) et de nanocristaux de CdSe en vue d'applications en cellules photovoltaïques. Pour cela, des groupements de reconnaissance moléculaire complémentaires ont été introduits latéralement à la chaîne principale du polymère et à la surface de nanocristaux. Ainsi des groupements diaminopyrimidine ont été introduits par post-fonctionnalisation d'un copolymère de poly(3-hexylthiophène-co-3-bromohexylthiophène) et des groupements thymine ont été introduits à la surface des nanocristaux par réaction d'échange de ligand avec le 1-(6-mercapto-hexyl)thymine.<br />Les solubilités respectives du polymère et des nanocristaux rendent leur mise en œuvre par mélange de solutions difficile. Un protocole « one pot » a été développé, mais cette voie reste peu satisfaisante du point de vue du contrôle de la composition de l'hybride et de la mise en œuvre pour des dispositifs photovoltaïques.<br />Finalement, la technique du dépôt couche par couche permet de s'affranchir des problèmes de solubilités tout en contrôlant précisément le processus de dépôt. Quelques paramètres expérimentaux du dépôt couche par couche ont été explorés pour identifier leurs influences sur les dépôts. Les films obtenus ont ensuite été caractérisés par des techniques de microscopie et diffraction des rayons X, révélant une structure interpénétrée plutôt que multicouche. Le comportement électrochimique de ces films a également été étudié par cyclovoltammétrie et spectroélectrochimie UV-vis-PIR. Des cellules solaires ont été réalisées avec ces hybrides et elles ont été testées sous éclairement. Les caractéristiques I=f(V) obtenues révèlent qu'un effet photovoltaïque a bien lieu dans ces matériaux.

Ce mémoire présente une approche pluridisciplinaire (pétrologie, spectroscopie Raman et MET) de l'évolution des microstructures des serpentinites avec les conditions métamorphiques et la déformation afin de préciser leur comportement en contexte de convergence. Expérimentalement, les différentes variétés de serpentines se compriment de façon régulière jusqu'à 10 GPa à température ambiante. L'augmentation de pression est principalement ajustée par réduction de l'espace interfoliaire. Les liaisons hydrogène liant les feuillets ne sont pas renforcées avec la pression. L'analyse d'échantillons de serpentinites de HP-BT provenant de Cuba et des Alpes a confirmé que l'antigorite est la variété stable à haute pression. Les microstructures de ce minéral varient avec le degré métamorphique. Les antigorites de haut degré, au delà du faciès des schistes bleus, ne présentent pas le désordre polysomatique intracristallin qui caractérise les antigorites de bas degré. Une second étape de mise en ordre des microstructures est proposée sous les conditions éclogitiques par l'élimination des défauts microstructuraux. Mais les serpentinites étant très sensibles à toute déformation rétromorphique, cette mise en ordre n'a pu être observée que sous des conditions de préservation exceptionnelle (Cuba) et n'a pas été confirmée dans les échantillons alpins. Dans les serpentinite alpines, la déformation se manifeste à bas degré métamorphique (transition SV-SB) par des structures cassantes à l'échelle du cristal. Sous des conditions PT plus sévères, la déformation est accommodée principalement par des phénomènes de dissolution recristallisation qui semblent persister jusqu'aux stades éclogitiques. Les défauts plans observés dans les antigorites suggèrent aussi une contribution à la déformation par glissement des feuillets le long des plans (001).

Nous avons étudié, en solution et en masse, un système modèle qui consiste en des chaînes non cristallines de poly(oxyde de propylène) (PPO) fonctionnalisées en bout de chaîne par des motifs complémentaires : un dérivé de thymine (Thy) et la diaminotriazine (DAT). Ce système combine des liaisons hydrogène faibles (auto-associations Thy-Thy et DAT-DAT) et fortes (association complémentaire Thy-DAT), l'aromaticité des motifs collants, une forte répulsion entre les motifs collants polaires et les espaceurs peu polaires PPO, et des tendances à la cristallisation très différentes pour Thy et DAT. Des composés homoditopiques et hétéroditopiques ont été synthétisés. En solution, le solvant influence la valeur des constantes d'association et les organisations observées. En masse, un comportement relativement complexe est observé, avec une compétition entre les liaisons hydrogène entre les motifs collants, la ségrégation de phase entre les chaînes espaceurs (peu polaires) et les motifs collants (assez polaires), et la cristallisation des thymines en microdomaines. Ces phénomènes influencent l'organisation mésoscopique de ces matériaux et donc leurs propriétés mécaniques. Nous avons présenté les différentes organisations observées en solution et en masse et avons discuté les idées que notre étude apporte pour comprendre les rôles joués respectivement par les liaisons hydrogènes, la ségrégation de phase, la solvatation et la cristallisation.

Les résultats présentés dans ce manuscrit décrivent la synthèse et l'étude de silices hybrides organiques-inorganiques visant des applications dans le domaine de la santé. Les précurseurs polysilylés synthétisés sont des dérivés de la triazine comportant des motifs de reconnaissance moléculaire du type donneur-accepteur-donneur qui peuvent complexer des molécules complémentaires, tel que l'acide cyanurique, via des liaisons H. La préparation de matériaux hybrides à partir de ces précurseurs complexés ou non, ainsi que leur mise en forme pour obtenir des nanoparticules, sont réalisées dans des conditions nucléophiles. Ces matériaux sont sensibles aux pH puisque des pH légèrement acides peuvent entrainer la dissociation du complexe. Des précurseurs du même type sont également utilisés pour la fonctionnalisation de nanoparticules de type MCM-41 afin de créer des nanomachines. Ces dernières se sont révélées très efficaces lors d'études in vitro en présentant une mort cellulaire significative pour le cancer du sein. / In this thesis hybrid organic-inorganic silicas have been synthesized and studied for applications in health field.The synthesized polysilylated precursors are based on triazine derivatives including donor-acceptor-donor molecular recognition motifs which can complex complementary compounds, like cyanuric acid, via hydrogen bonds. Hybrid bulk materials as well as nanoparticles, with or without complex, are obtained upon nucleophilic catalysis from these precursors and are shown to be pH-sensitive since a slightly acidic pH could destabilize the complex.In addition, such type of precursors is also used to functionalize MCM-41 nanoparticles in order to prepare nanomachines. In vitro studies showed the efficiency of these systems with significant cell death for breast cancer.