Several disease processes taking place in the cells are characterized by an increase of the concentration of nucleic acids, in particular micro RNAs (miRNAs). A detection system that could selectively detect the increased presence of the miRNAs directly in the living cells in real time with nanoresolution is therefore highly desired. Fluorescent nanodiamond particles are considered promising candidates thanks to their biocompatibility, small size, allowing them to penetrate the cell membrane, and stable fluorescent defects in the crystal lattice, namely nitrogen-vacancy (NV) centres. The NV centres are the most studied colour centres of nanodiamonds due to their unique room-temperature optical properties, allowing for highly sensitive detection of changes in the magnetic field (magnetic noise) with quantum sensing techniques. For instance, the length of the T1 relaxation time NV electronic spin is greatly influenced by the presence of paramagnetic species, which causes a shortening of the T1 relaxation time depending on the proximity to the NV centres. However, for selective quantum sensing with nanodiamonds, the use of molecular transducers is necessary to bind targeted molecules with high specificity and allow their detection via the change of the NV spin properties. In this work,...

Nanodiamond is currently one of the most researched materials in the field of regenerative medicine in the study of treatment of neurodegenerative diseases. Due to direct interaction of this material with nerve tissue, it needs to be biocompatible with primary neurons. Furthemore, it is desirable for the used material to induce cell adhesion and stimulate the adherent cells to regeneration. This work evaluates the biocompatibility of porous boron-doped diamond layers with the culture of primary neurons. We compared the effect of diamond surface treatment by poly- D-lysine (PDL) coating on the adhesion and prosperity of the primary neuronal culture. We found that the tested nanodiamond layers are biocompatible with the primary neuronal culture. We further conclude that the PDL coating slightly increases the rate of cell adhesion to the surface but on the other hand induces greater adhesion of glial cells than the surface without PDL coating. Key words: nanodiamond, biocompatibility, adhesion, neurons

A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. . / In this thesis, a therapeutic effect of nanodiamonds (NDs) has been evidenced by investigating the role of NDs surface chemistry on their electronic properties. More precisely, the generation of reactive oxygen species from detonation NDs under ionizing radiation, which could improve current radiotherapy treatments, has been demonstrated. To this end, surface treatments facilitating electron transfer from NDs to their environment, namely hydrogenation and surface graphitization, were developed. Experimental conditions ensuring an efficient hydrogenation by hydrogen plasma were determined under ultrahigh vacuum, before being used to prepare large quantities of NDs in powder phase. A similar procedure was applied to the surface graphitization of NDs, performed by annealing under vacuum at high temperature. The impact of such surface treatments on the electronic interaction properties of NDs has been investigated under ambient air and after dispersion in water. These surface treatments induce a positive Zeta potential to NDs in water, which origin has been discussed. Finally, their interactions with human tumor cells were observed. Radiosensitization of tumor cells using NDs under gamma irradiation was demonstrated, opening new perspectives for NDs in nanomedicine.

In dieser Arbeit wurden Nanopartikel mit einer Laserpinzette gespeichert und untersucht. Ein Schwerpunkt war speziell die Untersuchung der bei der Speicherung beteiligten Kräfte. Diese Abhängigkeiten wurden bei variablen Drücken im Bereich von einigen mbar betrachtet. Als Testpartikel dienten µm große Agglomerate aus Nanodiamanten. Aus den gemachten Beobachtungen wurden Erkenntnisse über das Verhalten und die Wechselwirkung von Streukraft, Gradientenkraft und photophoretischer Kraft gewonnen. Ein zweiter Schwerpunkt war die Charakterisierung der Partikel. Mit einem einfachen optischen Aufbau konnten Fluoreszenzspektren von Nanodiamanten mit N-V-Zentren aufgenommen werden. Zusätzlich wurden einige der Partikel mit dem Laserfarbstoff Rhodamin 6G benetzt und spektroskopiert.

Les nanodiamants issus de la détonation ont été découverts en URSS dans les années 1960. Cette technique de synthèse permet de générer pendant un temps très court, des hautes pressions et hautes températures. Les particules de diamant formées, possèdent un diamètre moyen de 5nm et disposent d’une riche chimie de surface. Celle-ci a été étudiée et les sites oxygénés ont été quantifiés par diverses méthodes. Ces sites ont ensuite été modifiés par le greffage (par des liaisons covalentes ou métal-ligand) de molécules organiques (porphyrines, phthalocyanines, ...). Des techniques ont été développées afin de déterminer le rendement du greffage chimique. Les matériaux synthétisés ont ensuite été valorisés par leur utilisation comme filtres aux propriétés non-linéaires pour de la protection laser. Les propriétés colloïdales des nanodiamants ont également été étudiées, afin de séparer les agrégats des particules unitaires et procéder à des dépôts contrôlés. Grâce à un procédé présenté dans ce manuscrit, il a été possible de déposer de manière uniforme des particules unitaires de nanodiamant en monocouche extrêmement dense. Ces dépôts ont été utilisés pour l’élaboration de capteurs. / Detonation nanodiamonds were discovered in the early 60’s in URSS. This synthesis technique allows the generation of high pressures and high temperatures in a short duration. The resulting nanodiamond particles have a mean diameter of 5nm and a developed surface chemistry. The surface composition has been determined and the oxygenated sites were quantified by the use of various methods. These sites have been used to graft (by the use of covalent or metal-ligand bonds) different organic molecules (porphyrins, phthalocyanins, …). Different techniques enabled the determination of the chemical grafting yield. The resulting materials have been used as non-linear filters against laser threat.The nanodiamond colloidal properties have also been studied, to separate the aggregates from the unitary particles and well control their deposition. A method has been described in this manuscript, enabling the uniform deposition of unitary nanodiamond particles forming an extremely dense monolayer. These deposits have been used for sensors applications.

Currently tribological laboratories are looking for a new type of solid ingredients, to create a lubricating composition with minimal friction, heat resistant, with particles well dispersed in oils, sedimentation stable, improving the running properties and to minimize the concentration of solids. Nanodiamonds (DND) could exhibit the possible solution. These particles (in nanometers size) have very good physical and chemical properties, high hardness and resistance. The main advantages are effectiveness at low concentrations, compatibility with various types of oils or environmental safety (carbon additive, unlike metal) in a comparison with other types of additives. However, it is necessary to study these ingredients. The aim of research was to examine the influence of diamond nanoparticles on friction in a lubricated contact (elastohydrodynamic mode). Using tribological equipment, 3D optical profilometer and a microscope, we compared and evaluated using oil with diamond nanoparticles as well as without them. The research focused on the behavior of nanoparticles in contact and the effect they have on friction. To assess these properties of nanodiamonds, EHD optical tribometer was used (this is a device designed for the study of thin lubricating films). 3D optical profilometer and a microscope to assess the wear. And to determine the relationship between the coefficient of friction (COF) and time, Mini Traction Machine was used.

Ce projet s’inscrit dans la contribution à l’élaboration de tenues de protection vis-à-vis d’agents chimiques de guerre : les combinaisons actuelles ont un rôle de barrière, qui stoppent le contaminant sans le dégrader, conduisant à un risque de contamination croisée accru. L’idée novatrice est de recouvrir ces textiles avec une couche intelligente multifonctionnelle et transparent associant un composé actif (TiO2, capable de photo-oxyder les composés toxiques sous irradiation à température ambiante) à un composé passif (nanostructures carbonées, permettant de stocker temporairement les produits de réaction ou le contaminant en cas de manque de lumière ou de pic de contamination). L’étude a commencé sur surfaces modèles afin d’optimiser l’association par assemblages par la méthode Layer-by-Layer (LbL) des différents éléments à savoir, TiO2 à un polymère (PDDA), à du graphène, à du charbon actif ou encore à des nanodiamants. L’efficacité photocatalytique de cette couche sur la dégradation d’un simulant gazeux du gaz moutarde a été testée. Les meilleures revêtements ont ensuite été transférés sur textile et leur efficacité évaluée sur un simulant liquide du gaz Sarin. Des études plus spécifiques ont également été menées pour comprendre l’influence des différents constituants et de l’épaisseur sur l’efficacité photocatalytique du film. Le renforcement de ces textiles fonctionnels contre des contraintes d’abrasion et de lavage a aussi été étudié, ainsi que sa régénération après tests photocatalytiques. / This project is focused on the elaboration of protective suits against Chemical Warfare Agents. Indeed, the suits currently used mainly act as physical barriers, without any degradation of the toxic molecules, thus increasing cross-contamination risks.The original idea is to functionalise textile fibers with a multifunctional, multicomponent and transparent smart layer, combining active components (TiO2, for photo-oxidation of toxic agents under irradiation at room temperature) to passive components (carbon nanostructures, in order to temporary stock the reaction products or the contaminant in case of lack of irradiation or of high contamination level). The study begins on model surfaces, in order to optimise Layer-by-Layer (LbL) association of TiO2 with polymer, graphene, activated carbon, or nanodiamonds. The photocatalytic efficiency of the layer was evaluated towards the degradation of a gaseous mustard gas simulant. The best functionalisations were then transferred to textile and their photocatalytic efficiency were evaluated towards the degradation of a liquid simulant of Sarin gaz. Some detailed results were obtained in order to understand the impact of the different components and of the thickness of the films on the activity. Textiles reinforcement against abrasion and washing were also studied, as well as their regeneration after photocatalytic tests.

A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. .

Les nanodiamants issus de la détonation ont été découverts en URSS dans les années 1960. Cette technique de synthèse permet de générer pendant un temps très court, des hautes pressions et hautes températures. Les particules de diamant formées, possèdent un diamètre moyen de 5nm et disposent d'une riche chimie de surface. Celle-ci a été étudiée et les sites oxygénés ont été quantifiés par diverses méthodes. Ces sites ont ensuite été modifiés par le greffage (par des liaisons covalentes ou métal-ligand) de molécules organiques (porphyrines, phthalocyanines, ...). Des techniques ont été développées afin de déterminer le rendement du greffage chimique. Les matériaux synthétisés ont ensuite été valorisés par leur utilisation comme filtres aux propriétés non-linéaires pour de la protection laser. Les propriétés colloïdales des nanodiamants ont également été étudiées, afin de séparer les agrégats des particules unitaires et procéder à des dépôts contrôlés. Grâce à un procédé présenté dans ce manuscrit, il a été possible de déposer de manière uniforme des particules unitaires de nanodiamant en monocouche extrêmement dense. Ces dépôts ont été utilisés pour l'élaboration de capteurs.

La capacité à cartographier le champ magnétique à l'échelle nanométrique serait un atout crucial pour étudier les propriétés magnétiques des solides ainsi que certains phénomènes de transport, mais aussi pour des études fondamentales en biologie. Cette thèse porte sur la réalisation d'un microscope de champ magnétique d'un genre nouveau, qui promet une résolution spatiale de quelques nanomètres, une sensibilité de l'ordre du nanotesla, et fonctionne aux conditions ambiantes. Ce microscope est basé sur le défaut azote-lacune du diamant, dont les propriétés quantiques peuvent être exploitées pour en faire un magnétomètre ultrasensible de taille atomique. Dans un premier temps, nous présenterons le fonctionnement et la réalisation du microscope à défaut azote-lacune, qui consiste essentiellement en un microscope à force atomique sur la pointe duquel un nanocristal de diamant est attaché. Nous testerons le microscope en imageant le champ de fuite généré par un cœur de vortex dans un microdisque ferromagnétique. Dans un second temps, nous appliquerons le microscope à l'étude de couches ferromagnétiques ultraminces. Ces systèmes présentent un intérêt à la fois fondamental, les effets d'interfaces restant encore largement inexplorés à ce jour, et technologique, puisqu'ils sont à la base de propositions pour la réalisation de nouvelles mémoires magnétiques à basse consommation d'énergie. Nous étudierons d'abord la nature des parois de domaines dans ces couches ultraminces, ce qui nous permettra de révéler l'existence d'une interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'origine interfaciale dans certains échantillons. Nous étudierons ensuite les sauts nanométriques d'une paroi de domaine induits par l'agitation thermique. Nous démontrerons en particulier le contrôle de ces sauts par un laser, ce qui nous permettra de visualiser et explorer le paysage énergétique de la paroi. / The ability to map the magnetic field at the nanometer scale would be a crucial advance to study the magnetic properties of solids as well as some transport phenomena, but also for fundamental studies in biology. This thesis deals with the realisation of a magnetic field microscope of a new kind, which promises a spatial resolution down to a few nanometres, a sensitivity of the order of a few nanoteslas, and operates under ambient conditions. This microscope is based on the nitrogen-vacancy defect in diamond, whose quantum properties can be harnessed to make an ultrasensitive, atomic-size magnetometre. In the first part, we will present the basic principles and the realisation of the nitrogen-vacancy defect microscope, which consists essentially in an atomic force microscope on the tip of which a diamond nanocrystal is grafted. We will test the microscope by imaging the stray field generated by a vortex core in a ferromagnetic microdisk. In the second part, we will apply the microscope to the study of ultrathin ferromagnets. These systems are interesting both from the physical point of view, as interface effects have been little explored so far, and for technology, as they are the cornerstone of several proposals for realising novel magnetic memory devices with low energy consumption. We will first study the nature of domain walls in these ultrathin ferromagnets, which will enable us to reveal the existence of an interface-related Dzyaloshinskii-Moriya interaction in some samples. Next, we will study the nanometric jumps of a domain wall induced by thermal fluctuations. In particular, we will demonstrate control over these jumps using a laser, which will allow us to visualise and explore the wall's energy landscape.