L'imagerie de polarisation apporte des informations complémentaires à l'imagerie conventionnelle. L'oeil humain n'étant cependant pas sensible à la polarisation de la lumière, l'utilisation d'équipements spécifiques est indispensable. Depuis le XIXème siècle, des scientifiques étudient la polarisation de la lumière: d'abord avec de simples lames polarisantes, puis depuis une vingtaine d'années à l'aide de modulateurs à cristaux liquides (CL). Ces derniers présentent un avantage considérable par rapport aux lames polarisantes: ils permettent des vitesses de modulation de la polarisation de la lumière qui ne peuvent être atteintes avec des lames orientées mécaniquement. Les CL nématiques alignés parallèlement et les CL nématiques en hélice sont les plus répandus aujourd'hui, que ce soit dans des équipements grand public tels que les écrans d'ordinateur, ou dans des équipements professionnels. Ils fonctionnent à des fréquences maximales de l'ordre de 50Hz. La vitesse de fonctionnement de ces CL peut toutefois encore être dépassée en utilisant des CL ferroélectriques, pouvant atteindre le kiloHertz. Ces éléments sont rapportés dans la littérature comme des éléments bistables, donc ne permettant pas de moduler la polarisation incidente de manière accordable, contrairement aux CL nématiques. En d'autres termes, un seul modulateur à CL ferroélectriques ne permet a priori pas d'analyser la totalité de la polarisation. Seulement une fraction de la polarisation linéaire du faisceau incident peut être identifiée.Le présent travail vise à montrer qu'a posteriori des CL ferroélectriques convenablement commandés peuvent être utilisés de manière accordable pour analyser la totalité de la polarisation. Partant d'un modulateur à CL ferroélectriques conventionnel, il est montré dans un premier temps que l'on peut analyser la totalité de la polarisation linéaire dès lors que la commande électrique est adaptée. Puis dans un deuxième temps, en exploitant la dépendance en longueur d'onde du comportement du modulateur, nous démontrons que cet élément optique peut être utilisé pour analyser la totalité de la polarisation du faisceau incident, c'est-à-dire la composante linéaire aussi bien que circulaire. Un polarimètre à division temporelle est développé pour prouver la faisabilité d'un polarimètre n'utilisant qu'un seul et unique modulateur à CL ferroélectriques pour tout élément polarisant. Un défaut a également été mis en évidence dans la restitution de l'information de polarisation avec un polarimètre à division temporelle lors de l'observation d'objets en mouvement. Avec un tel système, l'acquisition des différentes images d'intensités nécessaires à l'estimation de l'information de polarisation se fait séquentiellement. Par conséquent, le mouvement d'un objet dans la scène pendant la phase d'acquisition se répercute sur la séquence d'images d'intensités, ce qui produit des artéfacts lors de l'estimation de la polarisation. Des solutions à ce problème sont proposées. / Analyzing the polarization of the light can bring complementary information to the classical imaging. Since the human eye is not capable of catching the polarization, specific sensing device have to be developed. Since the XIXth century, scientists study the polarization of the light: first with polarizing plates, then for the past two decades with liquid crystals (LC). These last elements have the enormous advantage to allow light modulation frequency far beyond what can be reach with mechanically rotated plates. Aligned nematic LC and twisted nematic LC are the most common technologies used today, either in devices made for the general public such as computer screens, or in professional devices. Their typical modulation rate is 50Hz. Higher modulation rate, around the kiloHertz, can be reached using ferroelectric LC. Ferroelectric LC are known to be bistable components, unable to modulate the polarization in an accordable manner, contrary to nematic LC. As a consequence, only a fraction of the linear polarization can be estimated with ferroelectric LC.The present work aims to demonstrate that correctly electrically driven, a ferroelectric LC cell can be used to analyzed the whole polarization of the incident light beam. Firstly, it is shown that a single ferroelectric LC modulator is sufficient to analyze the whole linear polarization, as long as the command signal is properly designed. Secondly, based on the wavelength dependency of the modulator's behavior, it is show that a single modulator can be used to analyze the total polarization, that is both linear and circular polarization. A prototype of division of time polarimeter is developed in order to demonstrate the feasibility of a polarimeter using a single ferroelectric LC modulator and no other polarization sensitive component. In the mean time, a defect has been highlighted while observing moving objects with a division of time polarimeter. With this kind of polarimeter, intensity images needed to compute the polarization information are acquired one after another. As a consequence, the motion of an object is observable on the intensity pictures, which leads to defects on the picture of the estimated polarization information. Solutions to this issue are proposed.

Le système respiratoire est très complexe de par sa structure fractale qui induit des physiques très différentes. Les bouchons liquides caractéristiques de certaines maladies comme la mucoviscidose, les bronchites chroniques ou l’asthme résultent de l’accumulation de mucus dans les voies pulmonaires. Comprendre les mécanismes à l’œuvre lors de l’écoulement de ces bouchons lors d’un cycle respiratoire est donc primordial pour améliorer notre compréhension et le traitement de ces pathologies. Nous présentons dans cette thèse une première étude théorique et expérimentale de la dynamique de ces bouchons liquides dans des tubes capillaires rigides soumis à des forçages unidirectionnels et cycliques. Nous avons développé au cours de ce travail un modèle simplifié permettant de reproduire quantitativement les dynamiques observées, de comprendre la physique sous-jacente et d’identifier les sources d’instabilités qui entraînent la rupture d’un pont liquide. Ce modèle nous a permis de déterminer les pressions critiques nécessaires à la réouverture des voies pulmonaires. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dynamique des ponts liquides dans des tubes rectangulaires. Nous avons identifié de nouveaux régimes qui n’apparaissent pas dans les géométries cylindriques, et en particulier un régime d’oscillation stable sous forçage en pression périodique. Enfin nous nous sommes intéressés à la dynamique cyclique de ponts liquides dans des réseaux synthétiques en arbres. Nos premiers résultats montrent que les ponts qui ne sont pas détruits lors du premier demi-cycle persistent très longtemps dans les voies et oscillent de manière cyclique dans une génération jusqu’à leur rupture. / Owing to the complexity of the respiratory system, the mechanism of breathing is not well understood, especially in pathological conditions when airways are obstructed by mucus. The presence of liquid plugs resulting from the accumulation of mucus in the bronchial tree is a characteristic of genetic diseases like cystic fibrosis or chronic diseases like asthma or chronic bronchitis. Thus, understanding the dynamics of these plugs during the breathing cycle is essential to improve our understanding of those diseases. In this thesis, we study experimentally and theoretically, the dynamics and rupture of liquidplugs under unidirectional and cyclic forcing in a rigid capillary tube. We develop a reduced dimension model, which quantitatively reproduces the observed dynamics, unveil the underlying physics and in particular the sources of the plug instability leading to its rupture. From this model, we are able to derive the critical pressure magnitude required to reopen obstructed pathways. Then we investigated the cyclic dynamics of liquid plugs in rectangular channels, a geometry of the utmost interest for microfluidic systems. In this case, we show that under cyclic pressure forcing, two regimes can be observed depending on the values of the capillary number: one leading to the rupture of the plug and one to stable cyclic oscillations.Finally, in the last part of this work, we study experimentally the cyclic forcing of liquid plugs in tree structures mimicking the geometry of intermediate generation of the lung. These preliminary results show that plugs not ruptured during the first half cycle persist in the airways for a long time and oscillate until their rupture.

Les mélanges de toluène et de tert-butanol sont complètement miscibles dans toutes les compositions à l'échelle macroscopique. Toutefois tert-butanol forme un réseau de liaisons hydrogène à l'échelle nanométrique qui persistent même dans les mélanges liquides binaires tert-butanol/toluène. Des expériences de diffusion de neutrons ont révélé la séparation des phases du mélange dans une structure cœur-gaine sous confinement dans des solides nanoporeux hydrophiles. Le travail effectué dans cette thèse vise à comprendre le rôle joué par la concurrence des interactions intermoléculaires (liaisons hydrogène, Van der Waals) lors de la séparation de phase sous nanoconfinement. Des expériences de RMN révèlent la persistance d'un réseau de liaisons hydrogène dans ces liquides binaires confinés dans des nanopores de silice à des concentrations faibles de tert -butanol, fournissant la preuves d'un autre type de réseau de liaisons hydrogène sous confinement. Des expériences d'adsorption du mélange gazeux dans des nanopores de silice ont aidé à expliquer l'affinité plus élevée des parois de silice polaires pour tert-butanol par une modèle thermodynamique. Le remplacement de la matrice hôte par un analogue hydrophobe est associé à une inversion de la sélectivité, montrant cette fois une plus grande affinité du toluène pour la surface des pores. L'effet des interactions spécifiques avec la surface sur la dynamique d'imbibition spontanée de ces liquides binaires à travers le réseau de silice nanoporeux a également été étudié. Des expériences de radiographie de neutrons ont révélé la séparation des flux à deux composants, au sein d'une dynamique toujours gouvernée par une loi de Lucas-Washburn. / Toluene and tert-butanol mixtures are completely miscible for all compositions at the macroscopic scale. However tert-butanol forms a network of hydrogen-bonded clusters at the nanoscale which persist even in the tert-butanol-toluene binary liquid mixtures. Interpretation of neutron scattering experiments revealed phase separation of the mixture into a core-shell structure inside hydrophilic nanoporous solids, with a tert-butanol shell and a toluene core. The work carried out in this thesis is aimed at understanding the role played by competing intermolecular interactions (hydrogen-bonding, van der Waals) in driving phase separation in confinement. NMR experiments reveal the persistence of a hydrogen-bonding network in these binary liquids confined in silica nanopores even at very low concentrations of tert-butanol, providing evidence of a new kind of hydrogen bonded network under confinement. Vapour sorption isotherms of tert-butanol-toluene binary gas mixtures in silica nanopores helped explain higher affinity of polar silica walls for tert-butanol by a thermodynamic model. Replacing the host matrix by a hydrophobic analogue was found to reverse the selectivity, with toluene showing greater affinity for the pore surface. Effect of surface specific interactions was studied on spontaneous imbibition dynamics of these binary liquids through nanoporous silica network. Neutron radiography experiments revealed the separation of fluxes into a twocomponent flow, generally obeying the Lucas-Washburn law.

Ce travail de thèse consiste en l’étude de la mise en forme topologique de la lumière et de la matière et s’articule autour de deux axes de recherche. Le premier concerne la mise en forme topologique de la lumière à partir d’interfaces spin-orbite à base de cristaux liquides. En l’occurrence, nous montrons dans ce manuscrit que différents systèmes de défauts topologiques naturels permettent de générer des vortex optiques par interaction spin-orbite de la lumière, de manière efficace, accordable en longueur d’onde et reconfigurable en temps réel et donnant accès à des charges topologiques diverses. Tout ceci nous a permis de travailler à des échelles microscopiques et de manière spatialement contrôlée. Ces avancées ouvrent la voie au contrôle de l’état orbital de la lumière sur une large bande spectrale.Le second axe concerne la mise en forme topologique d’un film de cristal liquide cholestérique dans le cadre du stockage de l’information de nature topologique. Nous avons démontré la possibilité de générer une grande diversité de défauts topologiques métastables, de manière contrôlée et reconfigurable, à la fois dans le temps et dans l’espace. Nous avons développé une approche permettant de réduire drastiquement le coût énergétique d’écriture de ces défauts. Nous avons également montré qu’il était possible d’obtenir un nouveau type de mémoire réinscriptible contrôlé par le degré de liberté «spin» du photon. / The enclosed work deals with the study of the topological shaping of light and matter and will bedivided into two categories of research. The first focuses on the topological shaping of light from liquid-crystal based spin-orbit interfaces. In particular, we show in this manuscript, that different systems based on the use of natural topological defects behave as highly efficient natural optical spin-orbit encoders, for distinct topological charges, at the micron scale and with spatial control.The operating wave length and operation mode of such interfaces can be tuned in real-time using low voltage electric fields. This breakthrough opens the path to the ultra-broadband control of the light’sorbital state. The second category concerns the topological shaping of a cholesteric liquid crystal film in context of mass data storage. We show the potential to generate metastable topological mi-crostructures in a controlled and reconfigurable way, both in time and space and with a low energy cost. We also demonstrated a new, unique type of rewritable memory, controlled by the«spin»ofthe laser-generated incident photon

Des cellules allongées et apolaires cultivées à confluence s'alignent les unes avec les autres. Dans cette thèse, nous utilisons des concepts de la théorie de la matière active ainsi que de la physique des cristaux liquides afin d'étudier quantitativement l'émergence de cet ordre mésoscopique nématique pour des monocouches de cellules à deux dimension, avec et sans confinement. Il a été montré que les défauts topologiques jouent un rôle crucial durant l'auto-organisation de systèmes biologiques actifs. Ici, nous étudions la dynamique de ces défauts qui se forment dans le tissu nématique contractile. Étant intrinsèquement hors équilibre à cause de la consommation d'énergie par les cellules, la monocouche est parcourue par de complexes courants de cellules due à la migration spontanée des défauts et leur annihilation avec des défauts de charges opposées. En comparant nos résultats expérimentaux avec un modèle théorique, nous montrons que l'auto-organisation de la monocouche est liée à la minimisation de l'énergie de courbure du tissu. / Elongated, weakly interacting, apolar cells cultured at confluence align together, forming large domains where they are perfectly ordered. Using concepts from the active matter theory and the physics of liquid crystals, we study the emergence of this mesoscopic nematic order by quantifying the ordering dynamics in two-dimensional infinite monolayers or under confinement. Topological defects have been found to play a crucial role in the self-organization of active biological systems. We study the dynamics of the disclinations that form in these cellular contractile nematics. Being driven out of equilibrium by the consumption of energy by individual cells, the monolayer exhibits complex flow patterns as defects migrate spontaneously and annihilate pairwise. By comparing our experimental results to a nematic drop model, we show that the self-organization of the cellular nematic layer with no boundary conditions or under circular confinement is dictated by the minimization of the splay and bend distortions of the tissue.

Les cristaux liquides cholestériques ont généralement une structure en hélice due à la présence de molécules chirales. Dans ces systèmes bien particuliers, on peut observer un couplage thermomécanique linéaire, l'effet Lehmann : un gradient de température exerce un couple sur l'orientation locale des molécules. L'explication de cet effet par Leslie fait intervenir un coefficient phénoménologique ν qui ne peut être non nul que si la phase est chirale.<br />Par ailleurs, il existe des cholestériques dits compensés dont la structure en hélice se déroule spontanément à une température particulière, conduisant à une structure non chirale. Dans cette thèse, nous montrons expérimentalement que ν n'est pas nul à la température de déroulage de l'hélice. Cela implique que la phase est encore chirale à cette température, point qui était jusqu'alors controversé. De plus les expériences présentées, statiques ou dynamiques, permettent d'estimer l'ordre de grandeur du coefficient ν.

Les magmas terrestres présentent un large spectre de conditions redox qui reflète de nombreux processus prenant place depuis la genèse jusque la solidification de ces magmas. Les états d'oxydation du fer dans les magmas sont utilisés comme témoins de ces conditions redox usuellement reliées à la fugacité d'oxygène (fO2). Pour améliorer l'interprétation des signatures redox des magmas, nous avons développé des aspects théoriques et expérimentaux appliqués au comportement du fer dans les liquides silicatés :<br />1- Modélisation des équilibres redox dans les liquides silicatés :<br />Ø Analyse de la base de données bibliographique <br />Ø Etude expérimentale et extension de la base de données vers des systèmes hydratés et oxydés<br />Ø Modélisation des propriétés thermodynamiques du fer ferreux et ferrique <br />En retombés pratiques, le modèle thermodynamique que nous proposons peut être utilisé directement à partir d'assemblages naturels verre-magnétite comme géothermomètre ou géobaromètre à oxygène. Aussi, les équilibres Fe3+/Fe2+ peuvent être calculés pour une large gamme de compositions et de conditions. Des applications mettant en évidence la précision de la méthode sont exposées.<br />2- Cinétiques d'oxydation-reduction du fer dans les liquides silicatés hydratés :<br />Ø Etudes expérimentales<br />Ø Modélisation<br />Différents mécanismes redox sont mis en évidence. Il en ressort que la mobilité d'espèces volatiles telles que H2 ne semble pas un facteur exerçant un contrôle significatif sur l'évolution redox d'un magma transitant dans la croûte. Des équilibres redox internes tels que les équilibres magnétite-liquide semblent être les facteurs prédominants. En revanche, en régime de percolation d'un basalte hydraté dans une péridotite, des échanges redox d'H2 conduisent à une oxydation significative du magma pouvant expliquer le caractère oxydé des laves d'arc.

Le sujet de thèse vise à approfondir les connaissances actuelles sur les interactions métal solide / métal liquide et plus particulièrement à étudier le comportement en fatigue de l'acier martensitique T91 dans un environnement de plomb-bismuth liquide. Ce sujet s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE (MEGAwatt PIlot Experiment) qui veut démontrer la faisabilité d'une cible de spallation en plomb-bismuth liquide.<br />Nous avons développé un dispositif expérimental qui a permis la réalisation d'essais de fatigue oligocyclique et de fatigue propagation à 300°C dans l'eutectique plomb-bismuth (Pb 45%masse, Bi 55%masse). Ce milieu contribue à diminuer la durée de vie en fatigue oligocyclique de l'acier T91 et augmenter la vitesse de fissuration. La présence de l'eutectique Pb-Bi modifie les mécanismes de germination-croissance des fissures courtes , notamment en supprimant l'efficacité des barrières microstructurales. Un changement du mode de fissuration a également été observé lors des essais de fatigue propagation lorsqu'il y a mouillage du front de fissure par le métal liquide. Nous pensons que le métal liquide modifie l'activité du fond de fissure en localisant la déformation plastique.<br />Toutefois, l'effet néfaste du métal liquide sur le comportement en fatigue du matériau s'atténue pour des niveaux de déformations faible et nous montrons également qu'une pré-oxydation de la surface du matériau semble une voie à explorer pour l'amélioration de la tenue en fatigue dans un métal liquide.

L'atomisation d'un liquide par l'intermédiaire d'une nappe est un phénomène fréquemment rencontré dans la nature ainsi que dans un contexte industriel tel que la formation de sprays de combustibles dans les moteurs. Cette étude expérimentale vise à rendre compte des mécanismes de brisure des lames liquides. Deux régimes de nappes sont ici considérés.<br /><br />Le premier correspond à un état stable pour lequel la nappe reste plane. Cet état est étudié à l'aide d'un dispositif formant des nappes par collision de jets cylindriques. Un couplage entre des modulations d'épaisseur de la nappe et la déstabilisation capillaire du bord libre conduisant à la formation des gouttes est mis en évidence. Ces modulations d'épaisseur sont dues aux conditions d'injection et pilotent la fragmentation de la nappe. <br /><br />Lorsque la vitesse d'écoulement dans la nappe est augmentée, une instabilité de cisaillement avec l'air se développe et la nappe se met à battre tel un drapeau. Ce second régime est étudié à partir d'une nappe formée par la collision normale d'un jet rond sur un cylindre solide pouvant osciller verticalement. Les caractéristiques des ondes générées par l'oscillation du point d'impact (vitesse, amplitude,...) sont correctement prédites par une analyse linéaire. Les ondulations de la surface imposent une accélération transitoire au liquide. Cette situation est instable au sens de Rayleigh-Taylor et conduit à des modulations d'épaisseur transverses à l'écoulement. La modification du champ d'épaisseur conditionne la morphologie du bord libre qui est constitué d'indentations à l'extrémité desquelles des ligaments sont formés et se brisent en gouttes. Un modèle incluant le développement des deux instabilités permet de rendre compte de la caractérisation de la fragmentation de la nappe (lieu de brisure, vitesse et taille des gouttes). Enfin, d'autres situations expérimentales mettant en jeu des accélérations et des modulations d'épaisseur sur des nappes liquides sont également envisagées.

Grâce à leurs propriétés électro-optiques remarquables, les cristaux liquides ferroélectriques suscitent un grand intérêt dans la réalisation des dispositifs d'affichage à faibles temps de réponse. Néanmoins, ces dispositifs présentent une faible résistance aux chocs et aux distorsions mécaniques. Pour pallier cet inconvénient, l'une des solutions préconisées est de disperser le cristal liquide sous forme de gouttelettes dans une matrice polymère. Les matériaux obtenus sont alors appelés Cristal Liquide Ferroélectrique Dispersé dans une matrice Polymère (PDFLC).<br />Ce travail concerne l'élaboration et l'étude des propriétés structurales, diélectriques et électro-optiques de composites PDFLC. L'objectif principal est d'étudier l'influence de la nature dispersée et confinée du cristal liquide sur les propriétés des composites. Pour cela, deux cristaux liquides ferroélectriques présentant respectivement un pas d'hélice faible et élevé par rapport à la taille des gouttelettes ont été utilisés pour élaborer ces composites.<br />Une étude comparative des propriétés des cristaux liquides et des films PDFLC a été réalisée. Les composites étudiés présentent des propriétés électro-optiques intéressantes, tels que l'existence d'un ancrage bistable, des temps de réponse et des tensions de commutation relativement faibles. La caractérisation des mécanismes de relaxation observés pour les composites montrent qu'ils sont liés à la ferroélectricité des cristaux liquides utilisés. Les caractéristiques de ces mécanismes, à savoir leur amplitude et leur fréquence critique, diffèrent fortement de celles observées pour les cristaux liquides purs. Ces différences ont été attribuées à l'hétérogénéité diélectrique des composites PDFLC.