Ce travail a porté sur la préparation et l'étude de matériaux magnétiques fonctionnels en couches dans l'optique d'une utilisation dans des micro-systèmes magnétiques. Deux systèmes de matériaux ont été étudiés: le FePt, qui est un matériau magnétique dur, et le FeRh, qui a une transition antiferromagnétique-ferromagnétique proche de la température ambiante. Dans le cas du FePt, les influences de la concentration en Pt, de l'ajout de Cu et des traitements thermiques, sur la transition de la phase A1 désordonnée, de faible anisotropie, à la phase L10 ordonnée, de forte anisotropie, ont été étudiées. Les dépendances en température de l'aimantation spontanée et du champ d'anisotropie de la phase L10 ont été déduites de l'analyse des courbes d'aimantation. Le pic d'Hopkinson qui est lié aux processus d'aimantation de la phase L10 à l'approche de la température de Curie a été modélisé. Dans le cas du FeRh, les influences de la concentration en Rh et des traitements thermiques ont été étudiées. Une analyse thermodynamique des mesures d'aimantation et des mesures de calorimétrie différentielle a été effectuée. Enfin, des couches hybrides de FePt-FeRh ont été déposées sur des substrats pré-gravés, pour démontrer la potentialité d'utiliser le FeRh pour contrôler thermiquement le champ de fuite généré par le FePt.

Les matériaux magnétiques composites doux sont utilisés pour réaliser des circuits magnétiques de machines électriques. Ils sont formés de particules de fer revêtues d'une mince couche de diélectrique et pressées à haute densité. La conception des machines électriques à l'aide de ces matériaux requiert la connaissance de méthodes de caractérisation de leurs propriétés électriques et magnétiques. L'optimisation des propriétés magnétiques des matériaux composites nécessite la compréhension des phénomènes se produisant à l'échelle microscopique et de leur influence sur la caractéristique d'aimantation à l'échelle macroscopique. Des méthodes de caractérisation adaptées aux matériaux magnétiques composites sont développées dans cette thèse : elles concernent la mesure de la caractéristique d'aimantation, de la résistivité et des pertes magnétiques. L'utilisation de ces méthodes démontre que l'inhomogénéité et l'anisotropie des propriétés des circuits magnétiques faits de matériaux magnétiques composites, considérées comme relativement négligeables dans les travaux publiés jusqu'à présent, sont suffisamment importantes pour influencer le développement du matériau, le dimensionnement des machines électriques et les tests de qualité en production. Un modèle permettant de relier la caractéristique d'aimantation à la structure des matériaux magnétiques composites et aux propriétés des constituants est proposé. Ce modèle est basé sur la simulation en calcul des champs de l'écoulement du flux magnétique à travers la structure microscopique du matériau et il permet de retrouver la caractéristique d'aimantation à l'échelle du circuit magnétique. Les relations obtenues démontrent un couplage significatif entre les propriétés globales, comme la perméabilité maximale, et certaines grandeurs à l'échelle microscopique, comme l'épaisseur du revêtement des particules de fer. Les modèles et les méthodes de caractérisation proposés peuvent ainsi être efficacement utilisés pour l'optimisation des dimensions des machines faites de matériaux magnétiques composites ainsi que pour l'optimisation des propriétés de ces matériaux en vue d'applications spécifiques.

Cette étude expérimentale est consacrée à la structure cristalline et aux propriétés magnétiques des phases orthorhombiques ANb2O6 (A = métaux magnétiques) qui ont retenues notre attention en tant que système Ising modèle quasi 1D. Ce comportement magnétique original de basse dimension résulte à la fois de la force des interactions magnétiques le long des chaînes d'atomes magnétiques quasi-unidimensionnelles, et à la faiblesse des interactions entre les chaînes qui sont de nature antiferromagnétique. Lorsque ces composés sont ordonnés l'ensemble de ces interactions inter et intra chaîne conduit à un ordre antiferromagnétique. Notre investigation s'appuie sur une caractérisation systématique de la série de composés AxA'1-xNb2O6 (A et A' = Ni, Fe et Co), par des mesures variées et complémentaires, notamment: diffraction des rayons X à température ambiante, diffraction de neutrons au dessus et en dessous de la température d'ordre magnétique, mesures magnétiques : évolution thermique de courbes d'aimantation isochamp et mesures d'aimantation isotherme. De plus, des mesures de la chaleur spécifique et de spectroscopie Mössbauer ont été réalisées sur certains échantillons sélectionnés. Nous avons mis à jour, selon la concentration, des comportement très différents dans les systèmes pseudo binaires Fe-Co, Ni-Fe ou Co-Ni qui peuvent soit présenter un état ordonné soit conserver un état paramagnétique jusqu'à de très basses températures. Nos mesures démontrent que la température d'ordre magnétique et les vecteurs de propagations diffèrent sensiblement selon la composition car ces systèmes sont caractérisés par une compétition entre les interactions magnétiques mises en jeu dans un réseau triangulaire interchaines. Cette étude montre que le désordre cationique Fe/Co induit une réduction substantielle des interactions tant inter que intra chaînes, ce qui traduit la tendance à défavoriser l'établissement d'un ordre magnétique à longue portée. De manière similaire, le système NixFe1-xNb2O6 ne présente pas d'ordre magnétique pour x=0,2 et ceci jusqu'à 400 mK au moins.

L'évolution des micro systèmes est en plein essor. Le développement de micromoteurs en constitue l'un des principaux axes actuels de recherche. Si les premiers micro moteurs étaient électrostatiques, les micromoteurs électromagnétiques ont récemment attiré l'attention de nombreux chercheurs. Le micromoteur asynchrone a pourtant connu une critique assez défavorable de la part de nombre de chercheurs. Sa fabrication - supposée forcément tridimensionnelle, donc complexe - et sa performance mécanique - estimée simplement insuffisante - sont à l'origine de ce mépris généralisé. Un problème supplémentaire qui défavorise la performance des micromachines est la réduction d'échelle, car elle entraîne une considérable augmentation relative dans leurs frottements, au point même d'empêcher leur fonctionnement. Afin de réduire les pertes dues aux frottements, une étude et une analyse de paliers magnétiques passifs miniatures sont proposées. Plusieurs prototypes illustrent cette approche. Dans le cadre de la validation de prototypes de taille millimétrique, cette thèse s'est orientée sur l'étude du micromoteur asynchrone. Un premier prototype, à géométrie planaire et de dimensions 0 18 mm x h 2 mm, a été fabriqué. Le micromoteur intègre une suspension magnétique passive à aimants permanents. Ce moteur a atteint 4500 tr/min en développant un couple de 1,2 flNm.

Nous présentons des procédés de fonctionnalisation de surface par assemblage dirigé de colloïdes en suspension. La motivation de ce projet est de montrer que des techniques simples fondées sur des phénomènes de démouillage de suspensions colloïdales permettent de diriger le dépôt de particules sur des surfaces structurées, de façon déterministe avec une résolution micrométrique. L'objectif de ces travaux est de développer une technique de structuration simple, polyvalente et utilisable en routine. Deux verrous technologiques majeurs ont été levés : d'une part l'optimisation des paramètres d'assemblage a permis d'étendre considérablement les vitesses d'assemblage et d'autre part, l'optimisation des structures de capture à rendu possible le multiplexage des dépôts et la création de réseaux imbriqués de particules de types différents. Ce processus a été appliqué avec succès à des particules magnétiques. Ces particules fixées à la surface peuvent servir de points d'ancrage pour des colonnes magnétiques. Plusieurs exemples d'applications telles que la capture de cellules au sein de liquides biologiques, la fabrication de micro-flagelles artificielles, ou de micro-capteurs de force ont été développées. Ces techniques ont également été adaptées pour l'assemblage de cellules, de levures et de bactéries sur des surfaces. Cela a conduit au développement de substrats de capture et de mise en culture permettant la création de réseaux constitués de plusieurs types de cellules précisément localisées.

Pour connaître l'état magnétique d'un objet complexe, bien souvent, la seule solution est de mesurer l'induction créée par la pièce en un nombre discret de points. La difficulté est alors de remonter à l'aimantation à partir de ces mesures. Une modélisation des * sources magnétiques est d'abord recherchée. La décomposition en harmoniques sphériques du champ mesurable ainsi que la recherche de dipôles normaux équivalents répartis sur la surface de l'objet sont étudiées. Leurs avantages et inconvénients étant très complémentaires, un nouveau modèle, synthèse des deux précédents, est proposé. Ensuite, l'utilisation d'un algorithme bayésien permet d'intégrer dans la projection de la mesure sur le modèle, les incertitudes et incohérences créées par l'imperfection de la mesure. En contrepartie, nous n'obtenons plus qu'un intervalle de confiance sur les valeurs recherchées. Enfin, une étude paramétrique analytique permet de connaître les performances du système. En particulier, le choix du type de capteurs de mesure est abordé.

Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale. / Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation.

The range of applications for magnetic micro- and nano-particles is constantlyexpanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particletrapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In mostpublications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elementspolarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscalingleads to an increase of field gradients. The challenge is to produce good quality, hardmagnetic films in the range of 1 to 100 μm both in thickness and lateral dimensions and tointegrate them into a Bio-Mag-MEMS.Physical vapor deposition (triode sputtering) is used to prepare high quality rare earthmagnets in thick film form. In order to obtain field gradients in the lateral directions, threetechniques have been developed:• Topographic patterning, in which the film itself is patterned either by sputtering ontopre-etched substrates or by etching the magnetic film.• Thermo-magnetic patterning, which exploits the temperature dependance of coercivityto locally reorient the magnetization.• Micro magnetic imprinting, which consists of organizing magnetic powder with the aidof the above-cited magnets, then embedding the powder into a polymeric matrix.Such micro-magnets are autonomous, having no requirements for a cumbersome externalfield source nor power supply.Here we demonstrate the potential to develop autonomous devices based on micromagnetarrays. Controlled positioning using superparamagnetic particles as a model is shown at first.Then, the magnet arrays are used to study endocytic processes using magnetically labelledbiological elements.In a step towards device integration, microfluidic channels are produced above themagnet arrays. Magnetic and non-magnetic particles are pumped through the devices andprecise positioning, as well as guiding and sorting are performed. High purity is obtained inthe sorted solutions.The good results obtained in the development of micromagnetic flux sources, integrationinto microdevices and particle/cell handling and sorting indicate the high potential of thiswork for actual biological and medical applications. Moreover, the biocompatibility andautonomy of such devices allow their use in micro-total-analysis systems, point-of-care orimplantable devices. / Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et enMédecine, pour une large gamme d’applications. Plusieurs applications utilisent le piégeageet le guidage de ces billes sous l’effet d’un champ et d’un gradient de champ magnétique.Dans la plupart des applications le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimantou un électro-aimant. L’intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articlesscientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doiventalors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).Les micro-aimants mis au point à l’Institut Néel permettent d’obtenir les mêmesinductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réductiond’échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l’autonomie et àla stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec desdimensions de l’ordre de 1 à 100 μm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS.Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pourle dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dansle but d’optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont étédéveloppées:• Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement,soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt.• Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivitépour réorienter localement l’aimantation de la couche.• Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiquesà l’aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couchepolymérique.Les micro-aimants présentent l’avantage, majeur pour un microsystème, d’êtreautonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d’alimentationélectrique. Lors de ces travaux, nous développons des prototypes de microsystèmes fluidiquesautonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture parattraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules superparamagnétiquescomme modèle. Puis, l’étude de phénomènes d’endocytose à l’aide d’éléments biologiquesmarqués magnétiquement. Dans le but de passer à l’intégration des systèmes, des canauxmicrofluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques etnon-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sontréalisés. L’analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système.Les résultats obtenus lors du développement de ces micro-sources de champ magnétiqueset de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules,démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à dessystèmes biologiques et médicaux. De plus, la biocompatibilité et l’autonomie de ces systèmespermettent leur utilisation dans des microsystèmes d’analyse totale (μTAS), des systèmespoint-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût.

Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. / Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance. / Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM.. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance. / The solution of advection-diffusion equation coupled to FHD equations of motion predicted weak contribution of advection in the observed phenomenon. The numerical simulations showed that the reduced axial dispersion is the outcome of anomalous anisotropic effective diffusivity in ferrofluid exposed to external uniform RMF. In chapter three, the identified mass transport properties of ferrofluid were further examined for (micro)-mixing applications in reaction engineering. A comparative study was conducted to evaluate the mixing efficiency between magnetic and non-magnetic fluids in a cylindrical capillary T-type mixer subjected to static (SMF), oscillating (OMF) and rotating magnetic fields. By using a probe reaction set (the Villermaux-Dushman reaction) with sensitive selectivity to mass transfer rate, mixing at molecular level was also investigated. The results showed substantial elimination of mass transfer rate influence on product distribution of chemical reactions when the mixing process is intensified with RMF. In chapter four, we extend the concept of mixing by MNP/RMF to ferrogels, prepared by seeding hard-dipole cobalt-ferrite MNP in polyacrylamide hydrogels. Quantitative analysis of magnetization data indicated the existence of hydrodynamically free MNPs, susceptible to Brownian relaxation along with mechanically blocked ones. A ferrogel consisting of hydrodynamically free MNP exhibits effective diffusivities higher than the intrinsic molecular diffusion of passive solute within the ferrogel structure. The experimental and theoretical findings in this thesis may open the way for application of magnetic field-stimulated MNP/ferrofluid for design and development of microfluidic systems and multifunctional magnetic materials with remote-controllable transport properties. / In this PhD thesis, the transport of scalars in ferrofluids/ferrogels is theoretically and experimentally studied. The major interest is to experimentally quantify mass transport process in ferrofluids/ferrogels exposed to external magnetic fields and also to understand the mechanisms underlying the observed enhanced mass transport processes through ferrohydrodynamic (FHD) simulations. We also aim at utilizing the identified enhanced transport phenomena in ferrofluids for reaction engineering applications through experimental studies on mixing/micromixing in microchannels. The introduction presents the basic principles and fundamentals of ferrofluid and magnetic nanoparticles (MNP) dynamics from fluid mechanics and colloidal physics perspectives. The framework of ferrohydrodynamics (FHD), encompassing the ferrofluid equations of motion in connection with magnetic relaxation is explained. The recent literature relevant to the subject of scalar transport and mixing in ferrofluids is reviewed and the mechanisms of rate intensification of mass transport in ferrofluid subjected to various types of magnetic fields are discussed. The first chapter reports experimental observations and numerical simulations on the transport of scalars in quiescent Brownian ferrofluids under rotating magnetic field (RMF). The mass transport experiments were conducted in a cylindrical capillary T-mixer in presence/absence of transverse uniform RMF. Significant enhancement in mass transport was observed in presence of RMF in a direction normal to rotation axis of magnetic field. RMF directional control of mass flux enhancement was anisotropic since the molecular diffusion was the only detected transport mechanism in a direction parallel to the capillary axis. The significance of RMF driven ferrofluid advection (spin-up flow) in mass transport enhancement was examined in the light of the solution of advection-diffusion equation and subsequent comparison of numerical predictions with experimental results. Systematic analysis of numerical simulations compared to experimental observations unveiled that the effective diffusivity in ferrofluid consists of a diagonal tensor whose components are a function of RMF frequency and MNP concentration. In the second chapter, we exploited the concept of anisotropic anomalous effective diffusion in ferrofluids to explain the experimentally observed variations of axial dispersion in ferrofluid capillary Poiseuille flow in presence of external RMF. The experimental results showed that residence time distribution (RTD) in presence of RMF is more symmetric with retarded breakthrough time when frequency of RMF and magnetic nanoparticles (MNP) concentration are increased.

Cette étude expérimentale est consacrée à la structure cristalline et aux propriétés magnétiques des phases orthorhombiques ANb2O6 (A = métaux magnétiques) qui ont retenues notre attention en tant que système Ising modèle quasi 1D. Ce comportement magnétique original de basse dimension résulte à la fois de la force des interactions magnétiques le long des chaînes d'atomes magnétiques quasi-unidimensionnelles, et à la faiblesse des interactions entre les chaînes qui sont de nature antiferromagnétique. Lorsque ces composés sont ordonnés l'ensemble de ces interactions inter et intra chaîne conduit à un ordre antiferromagnétique. Notre investigation s'appuie sur une caractérisation systématique de la série de composés AxA'1-xNb2O6 (A et A' = Ni, Fe et Co), par des mesures variées et complémentaires, notamment: diffraction des rayons X à température ambiante, diffraction de neutrons au dessus et en dessous de la température d'ordre magnétique, mesures magnétiques : évolution thermique de courbes d'aimantation isochamp et mesures d'aimantation isotherme. De plus, des mesures de la chaleur spécifique et de spectroscopie Mössbauer ont été réalisées sur certains échantillons sélectionnés. Nous avons mis à jour, selon la concentration, des comportement très différents dans les systèmes pseudo binaires Fe-Co, Ni-Fe ou Co-Ni qui peuvent soit présenter un état ordonné soit conserver un état paramagnétique jusqu'à de très basses températures. Nos mesures démontrent que la température d'ordre magnétique et les vecteurs de propagations diffèrent sensiblement selon la composition car ces systèmes sont caractérisés par une compétition entre les interactions magnétiques mises en jeu dans un réseau triangulaire interchaines. Cette étude montre que le désordre cationique Fe/Co induit une réduction substantielle des interactions tant inter que intra chaînes, ce qui traduit la tendance à défavoriser l'établissement d'un ordre magnétique à longue portée. De manière similaire, le système NixFe1-xNb2O6 ne présente pas d'ordre magnétique pour x=0,2 et ceci jusqu'à 400 mK au moins. / This work is dedicated to the investigation of structural and magnetic properties of these compounds with orthorhombic structure (A = magnetic metals) ANb2O6 that caught our attention as a system of quasi-1D Ising. This unique magnetic behavior is the result of low-dimensional magnetic interaction along the chains of magnetic atoms almost uni-dimensional, and also by weak antiferromagnetic interactions between the chains. When these compounds are ordered all these interactions between and within the chain leads to a global antiferromagnetic order. Our research is based on a systematic characterization of the series of compounds AxA'1-xNb2O6 (A et A' = Ni, Fe and Co) by differents types of complementary measures, such as X-ray diffraction at room temperature, neutron diffraction above and below the magnetic ordering temperature, magnetic measurements: thermal evolution of magnetization curves and isotherm magnetization variation in applied field. In addition, specific heat measurements and Mössbauer spectroscopy were performed on some selected samples. We found interesting results depending on the concentration, different behaviors on these pseudo binary systems Ni-Fe, Fe-Co, or Co-Ni, which can remain in the paramagnetic state up to very low temperatures or to order depending on the series analyzed. Our measurements show that the magnetic ordering temperature and propagation vectors differ substantially depending on the composition, for these systems are characterized by a competition between magnetic interactions that are involved in a triangular lattice intermolecular. This study shows that disorder cationic Fe / Co induced a substantial reduction in both the interactions within and between them; chains, reflecting the tendency to oppose the creation of a long-range magnetic order. Likewise, the system NixFe1-xNb2O6 dont shows magnetic ordering even at measures taken up to 400 mK for x = 0.2.