Alors que les phénomènes de mouillage aux petites échelles connaissent un regain d'intérêt soit théorique soit expérimental en vue de nouvelles applications, leur compréhension reste encore limitée. Dans ce contexte, ce travail a porté sur l'étude du mouillage de gouttes d'alcanes de taille nanométrique sur de surfaces "modèles" réalisées par auto-assemblage de monocouches organiques. Cela a demandé la mise au point d'une nouvelle technique de Microscopie à Force Atomique (AFM) en mode "non-contact" permettant d'imager, avec peu d'artefacts, des gouttes de taille variable condensées directement sur des surfaces solides. Nous avons montré ainsi que l'angle de mouillage des alcanes sur des surfaces silanisées, faiblement hétérogènes, diminue sensiblement à partir de sa valeur macroscopique lorsque la taille des gouttes devient submicronique. Dans ce système, régi par des interactions à longue portée purement dispersives, la tension de ligne est théoriquement trop faible pour être responsable de l'effet observé. Nous avons donc supposé que les hétérogénéités chimiques mésoscopiques du substrat affectent l'angle de mouillage lorsque la taille des gouttes devient suffisamment petite. Ce scénario a été validé par des simulations numériques basées sur un modèle simplié de la distribution de défauts du substrat. Des expériences similaires, réalisées sur des substrats différents (monocouches d'alcanethiols auto-assemblés sur or et de chaînes alkyles greffées sur silicium), ont aussi mis en évidence l'effet dominant des hétérogénéités physico-chimiques faibles du solide sur le mouillage aux petites échelles. Finalement, pour illustrer ultérieurement les potentialités de la technique AFM ici développée, nous avons étudié le mouillage de surfaces nano-structurées et la mouillabilité locale de la surface du cheveu.

Les sidérophores sont des complexants naturels du fer(III), synthétisés et sécrétés par les microorganismes pour s'approvisionner en fer. Chez les bactéries et certaines levures, les sidérophores peuvent être activement transportés à travers la membrane cellulaire via des récepteurs et des protéines de transport à haute activité et spécificité. La synthèse d'un analogue du ferrichrome (sidérophore trihydroxamate) a été récemment été décrite au laboratoire1 et permis de mettre en évidence le transport actif de ce type de sidérophore chez C. albicans. Dans ce contexte, nous avons entrepris d'élaborer des électrodes ou surfaces d'or fonctionnalisées par un sidérophore, et mettant en jeu des monocouches auto-assemblées, dans le but de développer des dispositifs moléculaires pour des applications potentielles en milieu biologique. Un de ces objectifs est d'élaborer un capteur du fer (III) muni d'une détection simple et en temps réel de type électrochimique. D'un point de vue médical, la demande de la part des industries du diagnostic pour commercialiser des capteurs jetables du fer (III) est importante : la finalité étant de doter d'un dispositif mobile pour diagnostiquer un excès ou une carence en fer chez un patient. Actuellement, ce dosage se fait en laboratoire par des techniques colorimétriques non transportables et peu fiables. Par rapport aux méthodes optiques, les systèmes électrochimiques faisant appel aux monocouches auto-assemblées sur surface d'or2 présentent un certain nombre d'avantages tel que la facilité de mise en oeuvre, la rapidité, le faible coût des systèmes finis. Dans ce contexte, ce travail s'articule autour deux axes : la synthèse et l'étude physicochimique des complexes de fer(III)-sidérophore. Dans cette étude, les ligands sont associés à différentes unités électroactives afin de les fixés à la surface de transducteurs physiques. Notre travail de recherche s'est donc développé selon trois étapes :  Le développement d'une ingénierie moléculaire pour synthétiser de nouveaux sidérophores immobilisables ayant des exigences stériques particulières  L'analyse du comportement et/ou de la structure de ces complexes en solution, à partir des mesures de l'UV-Visible et la voltampérométrie cyclique  L'élaboration et caractérisation les matériaux d'électrode par des techniques électrochimiques et piézoélectriques. Au cours de ce travail, nous avons tout d'abord synthétisé deux séries de sidérophores sur lesquels plusieurs substituant ont été greffés. Dans un premier temps, les premières synthèses ont été réalisées par couplage peptidique de la desferrioxamine B à différents esters activés pour obtenir des analogues de la desferrioxamine B dont les propriétés optiques et électrochimiques sont différentes. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point une méthode de synthèse qui a permis d'accéder à deux analogues du ferrichrome immobilisables fonctionnalisés par une sonde bithiophènique et une chaine alcanethiol. Ensuite, les propriétés optiques et électrochimiques des ligands obtenus ont été caractérisées et comparées en présence du Fe(III). Enfin, nous avons réalisé une étude préliminaire d'élaboration de monocouche auto-assemblée pour mettre au point les conditions de la post-fonctionnalisation.

Le contexte dans lequel se positionne cette thèse est l'élaboration de matériaux auto-organisés pour des visées fondamentales. Il s'insère dans les thèmes relatifs à l'étude de la structure et de la réactivité interfaciale de matériaux de dimensionnalité nanométrique : les monocouches auto-assemblées (SAMs) électroactives. De nombreux travaux ont été dédiés aux SAMs depuis 1983 en raison du grand nombre de domaines applicatifs (capteurs chimiques ou biologiques, catalyse ...). Les SAMs présentent l'avantage de former des surfaces simples, organisées et reproductibles. Très souvent, la dilution des motifs d'intérêt de la couche organique greffée, notamment par l'utilisation de SAMs mixtes, est une bonne alternative pour exalter les propriétés visées. L'influence de la structure des SAMs mixtes sur leur réactivité est étudiée ici dans le cas de la transduction électrochimique vue sous l'angle de la reconnaissance d'ions. L'originalité de cette thèse repose sur une approche non covalente entre le site complexant et le site électroactif. Dans un premier temps, le travail s'est axé sur l'influence de la distance entre la sonde redox et l'entité complexante sur l'efficacité de la transduction électrochimique. Dans un second temps, des SAMs mixtes ont été réalisées à partir d'entités redox, d'une part et d'entités éther couronne capables de capter des cations, d'autre part puis étudiées par voltammétrie cyclique avant et après ajout de cations. Le principe de transduction électrochimique sans lien covalent a été mis en évidence avec les sondes redox ferrocène et TEMPO. Il a été montré que l'efficacité du phénomène est fonction du rapport unité redox/unité complexante et de la nature de l'invité. L'approche non-covalente a été interprétée et modélisée via le modèle généralisé des interactions latérales. La maîtrise de l'environnement des entités immobilisées revêt ici un intérêt primordial puisque l'efficacité du dispositif repose sur la proximité des deux types de sites. L'approche non-covalente présente l'avantage d'être modulable à souhait et permet l'utilisation des molécules présentant des structures plus simples. Cette approche apporte un élément de compréhension supplémentaire sur la réactivité interfaciale de monocouches mixtes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail concerne l'étude de monocouches auto-assemblées (SAMs) sur l'or par simulation moléculaire. Des SAMs électroactives formées de chaines ferrocenylalcanethiols et alcanethiols et des SAMs constituées de β-cyclodextrines immobilisées sur des surfaces pouvant donner lieu à la formation de complexes d'inclusion à l'interface ont été étudiées. L'objectif était d'obtenir des grandeurs macroscopiques qui soient directement comparables aux grandeurs expérimentales. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire ont été couplées à des calculs de perturbation thermodynamique afin d'obtenir des grandeurs rédox et des propriétés thermodynamiques d'association. La reproduction de grandeurs expérimentales a dans un premier temps permis de valider les méthodologies de simulation et les champs de forces utilisés. Ceci a ensuite conduit à envisager la simulation moléculaire comme une technique prédictive pour l'étude de nouveaux systèmes. Les grandeurs macroscopiques obtenues ont pu être interprétées grâce à une caractérisation structurale et énergétique des processus mis en jeu. / This work concerns the study of self-assembled monolayers (SAMs) on gold surfaces by molecular simulation. Electroactive SAMs formed by both ferrocenylalkanethiol and alkanethiol chains and SAMs of immobilized β-cyclodextrins that can form inclusion complexes at the interface were investigated. The objective of this study was to use molecular simulation to reproduce macroscopic properties that can be directly compared with experimental results. Molecular dynamics simulations are coupled to perturbation methods in order to calculate redox properties and thermodynamic properties of association. The comparison with experimental data allows us to validate simulation methodologies and forcefields and to consider simulation as a predictive tool for the study of new systems. Molecular dynamic also provides a rationalization of the macroscopic properties at the atomic level by a structural and energetic analysis of the processes involved in the reactions.

Ce travail visait à explorer les interactions supramoléculaires comme un outil dans les domaines de la chimie hôte-invité, les nanomatériaux et les nanotechnologies en général, afin de parvenir à des objectifs différents. D'abord, une interaction classique hôte-invité a été étudiée, au moyen d'une technique innovante telle que l'ITC, puis nous avons exploité les interactions supramoléculaires afin de maitriser la production de graphène exfolié en phase liquide, en mettant un accent particulier sur l'amélioration de la qualité et la quantité du matériau produit. Enfin, nous avons étendu l'utilisation de la chimie supramoléculaire à un dispositif réel par la fonctionnalisation des électrodes d'or avec des molécules photochromiques, ouvrant alors la voie à des dispositifs organiques multifonctionnels, pouvant être contrôlés par la lumière. / This work was aimed at exploring supramolecular interactions as a tool in the fields of host-guest chemistry, nanomaterials and in general nanotechnology, in order to achieve different goals. First, a classical host-guest interaction was studied by means of the ITC technique, then we exploited supramolecular interactions in order to harness the production of liquid-phase exfoliated graphene, with a particular focus on improving the quality and quantity of material produced. Finally, we extended the use of supramolecular chemistry to a real device by functionalization of gold electrodes with photochromic molecules, hence paving the way towards multifunctional organic devices and in prospective to graphene based light-controlled multifunctional devices.

Ce travail porte sur l’étude électrochimique et par microscopie de fluorescence in situ de l’auto-assemblage, sur électrode d’or, de monocouches d’aptamères peptidiques de la protéine p53 en vue de la détection de la protéine MDM2. L’utilisation de nouvelles sondes de reconnaissance moléculaire telles que les aptamères peptidiques a été considérée en tant qu’alternative à l’utilisation d’anticorps. Les aptamères peptidiques sont des séquences synthétiques de peptide se liant à la protéine cible avec une affinité et une spécificité élevées. La première partie de ce travail porte sur l’étude électrochimique de l’interface modifiée résultant de diverses procédures d’immobilisation. Des mesures en présence du marqueur rédox [Ru(NH3)6]3+ ont démontré l’immobilisation de la sonde peptidique à la surface d’or et ont permis l’évaluation relative de la densité de sondes adsorbées à la surface respectivement à la méthode d’immobilisation considérée. Par ailleurs, des mesures en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- ont mis en évidence une inhibition drastique du transfert d’électron dans le cas de monocouches composées exclusivement du peptide. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la détection de la protéine MDM2. Trois interfaces modifiées ont été envisagées soit deux monocouches mixtes de peptide et de 4-mercaptobutan-1-ol, ce dernier jouant le rôle de diluant, adsorbés en une ou en deux étape(s), et une monocouche uniquement composée de peptide. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- comme méthode de détection a mis en exergue la pertinence de cette dernière interface pour la détection. En effet, l’inhibition du transfert d’électron préalablement identifiée est fortement amoindrie suite à l’interaction avec la protéine cible. Une gamme de détection s’étendant de ~1 à 60 ng mL-1 et une limite de détection de 0,69 ng mL-1 ont été obtenues. Cette performance est comparable à celle des kits ELISA commerciaux. La fiabilité et la spécificité de la réponse ont été vérifiées par le biais de contrôles négatifs sur trois protéines, en l’occurrence le fibrinogène, le cytochrome c et l’albumine de sérum bovin, et validées par des mesures complémentaires de microbalance à cristal de quartz.La troisième partie de ce travail est consacrée à l’étude, par microscopie de fluorescence in situ, de l’organisation de la monocouche résultant des trois procédures d’auto-assemblage précitées. Ces mesures ont permis la mise en évidence d’une distribution hétérogène de la densité en sondes, et plus particulièrement la présence d’agrégats. Ceux-ci ne peuvent être désorbés de la surface par l’application de potentiels même très négatifs (-1,450 V vs Ag / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les cryptophanes sont des molécules sphériques pouvant encapsuler dans leur cavité lipophile des molécules neutres (halogénométhanes, xénon) mais aussi des espèces ioniques comme les cations césium et thallium. Notre objectif a été d’immobiliser ces cages moléculaires de manière covalente sur un support solide dans le but de créer un matériau capable d’extraire des cations toxiques comme le thallium en milieu aqueux. Différentes stratégies ont été envisagées pour optimiser l’immobilisation de dérivés du cryptophane-A sur des surfaces de silice et d’or (surfaces planes et nanoparticules magnétiques de type coeur-écorce). Les cryptophanes-A mono-acide (1) et hexa-acide(2) ont été immobilisés sur des surfaces de silice préalablement fonctionnalisées par des groupements amines. Le cryptophane-A alcanethiol (3), ainsi que les cryptophanes 1 et 2 modifiés par lacystéamine (respectivement 4 et 5) ont été immobilisés sur des surfaces d’or. La caractérisation des surfaces planes par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation(PM-IRRAS) a permis d’estimer le taux de recouvrement des différentes monocouches de cryptophanes et, ainsi, d’évaluer la méthode d’immobilisation la plus efficace. Un taux de recouvrement proche de 100% a été obtenu pour le cryptophanes 3 immobilisé sur les surfaces d’or.Ce composé a également été immobilisé de façon très efficace sur des nanoparticules magnétiques(γ-Fe2O3/SiO2) enrobées d’une nano-écorce d’or. Ces résultats permettent d’envisager la synthèse d’un cryptophane portant cinq fonctions hydroxyles et une fonction thiol afin de créer des matériaux capables d’extraire des cations toxiques. / Cryptophanes are spherical molecules that can encapsulate neutral molecules(halogenomethanes, xenon), and ionic species like cesium and thallium cations in their lipophiliccavity. Our objective was to covalently immobilize these molecular cages onto solid substrates tocreate a material able to extract toxic cations such as thallium in aqueous media. Different strategieswere considered to optimize the immobilization of cryptophane-A derivatives onto silica and goldsurfaces (flat surfaces and core-shell magnetic nanoparticles). Mono-acid cryptophane-A (1) andhexa-acid cryptophane-A (2) were immobilized onto silica surfaces that were functionalized by aminogroups beforehand. Alcanethiols cryptophane-A (3), 1 and 2 modified by cysteamine (cryptophanes 4and 5 ,respectively) were immobilized onto gold surfaces. Flat surfaces were characterized bypolarization modulation infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) to estimate thesurface coverage of different cryptophane monolayers and to evaluate the most effective method. Asurface coverage close to 100% was obtained for the cryptophane 3 immobilized onto gold surfaces.This compound has been also immobilized efficiently onto magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3/SiO2)coated with gold nano-shell. These results allow to consider the synthesis of cryptophane bearing fivehydroxyl and one thiol functions to create materials able to extract toxic cations

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans une thématique de modification de surfaces par le biais de monocouches auto-assemblées post-fonctionnalisables. L’objectif principal consiste à élaborer une méthode générique de modification de monocouches par des motifs moléculaires variés. Pour cela, les travaux se concentrent sur la mise au point d’une plateforme générique facilement fonctionnalisable par un motif d’intérêt et greffable sur électrode modifiée. La voie retenue consiste à utiliser deux réactions de "click chemistry" de type "CuAAC". La première réaction de CuAAC s’effectue en solution et permet de solidariser plateforme et motifs d’intérêt (principalement des dérivés ferrocényles). Les ligands ainsi obtenus ont été utilisés pour la complexation d’ions métalliques (Cu2+, Zn2+). Les ligands et les complexes ont été étudiés en solution par électrochimie ainsi que par spectroscopies UV-Visibles et RPE. La seconde réaction de CuAAC permet l’immobilisation des différents complexes de cuivre sur des électrodes pré-modifiées par des fonctions azoture, généralement à l’aide de monocouches auto-assemblées. Ce greffage s’effectue selon le mode opératoire de l’"électroclick auto-induite", c'est-à-dire que le complexe de cuivre à immobiliser est également catalyseur de la réaction de CuAAC. Les systèmes ainsi immobilisés (mono-, bi- ou tri-métalliques) ont pu être étudiés en terme de cinétique d’immobilisation, de cinétique de transfert d’électrons et en réactivité. Ce dernier point a par ailleurs fait l’objet d’une attention particulière pour le cas de la réduction électro-catalytique des ions nitrite par les complexes de cuivre (I), en solution et sur surface. / This work depends on functionalized surface theme using modification of selfassembled monolayers (SAMs). The main objective consists to elaborate a new general pathway to modify monolayers with miscellaneous objects of interest. For this, we decide to focus our work to synthesize a versatile platform handling two ethynyl arms. These functions are available to operate two CuAAC reactions. The first one is use for linking platform with object of interest (in general ferrocenyl derivatives). Ligands obtained by that way were used for complexation of Cu2+ and Zn2+ ions. Electrochemical and spectroscopic (UV-Visible and EPR) studies were performed on these compounds. The second CuAAC reaction is used to immobilize copper complexes on azide modified electrode (azide derivatives SAMs on gold and ITO or direct functionnalization of glassy carbon surface). The grafting is operating through “self-induced electroclick” method; this means the CuAAC reaction is catalysed by the copper complex which is immobilized. Functionalized electrodes were characterized by cyclic voltammetry. It appears that similar complexes have closed grafting kinetic. These studies also demonstrate the both influence of copper and spacer on a second electroactive site (ferrocene moieties). The reactivity of copper centre is evaluated for complexes in solution and immobilized on surface with electrocatalytic reduction of nitrite ions by copper (I) species. The catalytic efficiency strongly depends on potential of copper reduction. Also, similar complexes show a loss of catalytic power with immobilization on surface.

Au cours des dernières décennies, les chromophores organiques “push-pull” ont vu leur intérêt grandir en raison de leurs applications potentielles dans les domaines des transistors à effet de champ, de l'optique non linéaire, des OLEDs, et du photovoltaïque. Dans le cadre de la conception de cellules photovoltaïques, ces structures moléculaires correctement organisées sur une surface devraient permettre d’améliorer l’interface donneur/accepteur, l’absorption optique, et d’augmenter le volume de la couche active. Nous avons développé une synthèse en plusieurs étapes de nouvelles molécules “push-pull” comportant une tête réactive thiol autorisant la formation de monocouches moléculaires auto-assemblées (SAM) sur surfaces d’or ou d’ITO. En variant les groupements donneur, accepteur, et l’espaceur il a été possible de moduler les propriétés optiques et électroniques.Les produits obtenus possèdent une forte absorption de lumière et peuvent donc être efficaces pour le photovoltaïque. Les monocouches moléculaires finales des chromophores avec ou sans nanoparticules d’or ont été étudiées principalement par angles de contact, techniques de spectroscopie IR, UV-Vis, XPS, et par microscopie à sonde locale (STM, AFM). Les matériaux ainsi obtenus à base de SAMs de chromophores “push-pull” et de nanoparticules de métaux nobles ont ensuite caractérisés électriquement et optiquement pour évaluer leur utilisation potentielle pour la conversion de l’énergie photovoltaïque. / During the past decades, the synthesis of organic donor-acceptor (D/A) “push-pull” chromophores has been of considerable interest because of their potential use in nonlinear optics, LEDs, field effect transistors, and photovoltaics (PV). As a part of the design of the PV cells, these molecular structures correctly arranged on a surface should improve the donor/acceptor interface, the optical absorption, and increase the volume of the active layer. We have developed a multi-step synthesis of new “push-pull” molecules bearing a thiol reactive group enabling to form self-assembled monolayers (SAM) on gold or ITO surfaces. Combining various donor, acceptor, and spacer moieties we could tune the “push-pull” optical and electronic properties. The obtained “push-pull” products exhibit a high light absorption and can thus be effective in PV applications. Final SAMs with and without nanoparticles were studied mainly by contact angles, UV-vis, IR and XPS spectroscopy, ellipsometry and near-field microscopy (STM and AFM). As-obtained organic layers were then electrically and optically characterized to assess their potential use in the field of PV energy conversion.