L'utilisation des nanoparticules (NPs) métalliques en nanotechnologie entraîne un risque de contamination de l'environnement qui est difficile à évaluer en raison du manque de connaissance toxicologique sur les NPs. La compréhension des mécanismes de toxicité des NPs peut favoriser leur utilisation sécuritaire. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre la toxicité des NPs métalliques. Le premier objectif visait à évaluer les effets des NPs de CuO sur la photosynthèse à l'aide de bioindicateurs basés sur la fluorescence chlorophylienne. Les NPs de CuO encapsulées dans un polymère, modèle des NPs pouvant être libérées des peintures antisalissures, induisent une inhibition de la photosynthèse du macrophyte aquatique Lemna gibba. L'imagerie de fluorescence chlorophyllienne est montrée comme une approche utile pour évaluer la toxicité des NPs. De plus, en utilisant deux approches complémentaires de fluorescence chlorophyllienne, le cuivre ionique et les NPs de CuO ont montré des effets similaires sur l'activité photosynthétique. La solubilisation des NPs de CuO est donc proposée comme principal mécanisme d'action des NPs de CuO sur la photosynthèse. Le deuxième objectif consistait à déterminer comment l'encapsulation dans un polymère modifie la toxicité des NPs. La toxicité de NPs de CuO nues ou encapsulées a été évaluée chez l'algue Chlamydomonas reinhardtii. L'encapsulation augmente la toxicité des NPs encapsulées en augmentant leur pénétration dans la cellule, ce qui indique que la toxicité des NPs de CuO est associée à des interactions intracellulaires. Les mécanismes cellulaires d'action des NPs ont été étudiés chez L. gibba en évaluant la toxicité en relation avec l'accumulation de cuivre dans l'organisme. Cette relation indique que les NPs de CuO nues et encapsulées n'ont pas le même mode d'action au niveau cellulaire. La modification des propriétés de surface des NPs par l'encapsulation modifie le mécanisme d'action cellulaire en augmentant la formation d'espèces réactives de l'oxygène. Les NPs métalliques peuvent donc avoir des mécanismes d'action différents selon leurs propriétés physico-chimiques. Le dernier objectif était de caractériser la toxicité des NPs métalliques chez différents modèles biologiques. Pour les NPs d'or stabilisées par un dendrimère poly(amidoamine) (PAMAM), la toxicité était liée au changement des propriétés physico-chimiques des NPs dans le milieu. Ces NPs étaient toxiques pour l'algue C. reinhardtii et la bactérie Vibrio fischeri alors que les cellules animales Neuro-2A et Vero n'étaient pas affectées. La différence de sensibilité était liée à l'altération des propriétés des NPs dans le milieu, soulignant ainsi le besoin de caractériser les NPs dans le milieu utilisé pour évaluer la toxicité. Pour les NPs de CuO, la toxicité a été étudiée en conditions in vitro chez la lignée cellulaire Neuro-2A. Les NPs de CuO ont montré des effets cytotoxiques et génotoxiques sur ces cellules. La formation de micronoyaux était l'indicateur de toxicité le plus sensible, ce qui montre que la génotoxicité est un aspect important de la toxicité des NPs de CuO. Cette thèse permet de conclure que l'évaluation du risque toxicologique des NPs métalliques doit être réalisée en considération du changement de leurs propriétés physicochimiques selon le milieu utilisé et les modifications apportés aux NPs. La compréhension des liens entre les propriétés des NPs et leur toxicité peut permettre une utilisation plus sécuritaire des nanomatériaux dans les applications issues de la nanotechnologie. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : nanotoxicologie, génotoxicité, photosynthèse, fluorescence chlorophyllienne.

La génération de surfaces présentant des nanostructurations de surface variées et modulables est l'objectif principal de ce travail. L'auto-assemblage de copolymères à bloc ou de nanoparticules d'or a été privilégié, et nécessite pour se faire de moduler finement les interactions aux interfaces substrat/ matériaux déposés. Dans une première partie, un dispositif expérimental de greffage de silane alkyle en voie vapeur est décrit. Cette technique de greffage permet d'aboutir à des surfaces fonctionnalisées soit de façon homogène, soit de façon graduelle et ce, avec un ou deux silanes (substrat respectivement mono ou bi-composant). La robustesse, la simplicité et la flexibilité de notre procédé ont été démontrés par des caractérisations physico-chimique (mesure des propriétés de mouillabilité), chimique (spectroscopie de photoélectrons X) ainsi que par analyse topographique (microscopie à force atomique). Dans une deuxième partie, l'influence des interactions aux interfaces substrat / film sur l'auto-assemblage de copolymères à bloc PS-b-PMMA a été mise en évidence par AFM. A partir des substrats de silicium homogènes en énergie de surface, il a été possible de moduler la nanostructuration sur différents échantillons et à partir des surfaces fonctionnalisées graduellement, cette variation de nanostructuration a pu être obtenue sur un même substrat. Par l'utilisation de copolymère à bloc PS-b-PI, il est par ailleurs possible de générer des films nanostructurés sans préfonctionnalisation du substrat, sans recuit et ce quelle que soit l'épaisseur du film. Dans une troisième partie, l'influence des interactions aux interfaces sur l'assemblage capillaire/convectif dirigé de nanoparticules d'or a été démontré par microscopie à champ sombre. La nature chimique et la densité de greffage des silanes ainsi que la dimension des échantillons ont été modulées pour mettre en évidence le rôle de ces paramètres sur l'assemblage de ces particules. Cette étude montre que les interactions aux interfaces contrôlent l'assemblage des entités chimiques organiques et inorganiques et donc la nanostructuration de surface qui en résulte.

Le domaine du proche infrarouge a une importance majeure pour l'imagerie optique en raison de la faible autofluorescence des systèmes biologiques et de la diffusion limitée de la lumière permettant l’amélioration du rapport signal-sur-bruit et une pénétration plus profonde dans les tissus. Les sondes fluorescentes proche-infrarouges les plus couramment utilisées à ce jour sont les fluorophores organiques ou les nanocristaux semi-conducteurs qui sont affectés par un certain nombre d’inconvénients. Plusieurs cations lanthanide possèdent des propriétés optiques uniques comme des bandes d'émissions étroites dont les longueurs d'ondes sont très peu sensibles à l’environnement, de grandes différences d’énergie entre longueurs d’onde d’excitation et d'émission et une forte résistance au photoblanchiment. Afin de bénéficier de la luminescence des lanthanides, les faibles absorbances des cations lanthanides libres doivent être compensées par l'utilisation de groupes chromophores appropriés fonctionnant comme sensibilisateurs. On parle d’effet d’"antenne". Nous présentons dans ce travail plusieurs familles de sondes à base de lanthanides (i) de petites molécules, plus spécifiquement des complexes monométalliques constitués par la coordination de Ln³⁺ par un ligand de type TTHA-anthraquinone et des métallacrowns polymétalliques Ln³⁺/Zn²⁺ auto-assemblés; (ii) de nouveaux nanomatériaux basés sur des billes de polystyrène possédant deux types de chargements différents, à savoir (i) un complexe bimétallique d-f Cr³⁺-Ln³⁺ ainsi que (ii) des antennes dérivées d’hydroxyanthraquinone et des cations lanthanide libres; (iii) des macromolécules de type dendrimère polyamidoamine de génération 3 fonctionnalisés avec sensibilisateurs aza-BODIPY en leurs périphéries et qui encapsulent des lanthanide luminescents. Les propriétés photophysiques, la cytotoxicité et l'incorporation cellulaire ont été décrites et discutées pour chacun des types de sondes. En outre, ces sondes ont été testées en imagerie in vitro visible et/ou proche-infrarouge par des expériences de microscopie confocale et d’épifluorescence. L’ensemble des sondes décrites dans ce travail, en raison de leurs propriétés avantageuses et nouvelles, constituent des avancées majeures pour le développement de nouvelles générations d'agents d'imagerie optique. / The near-infrared (NIR) region has a significant importance for optical imaging due to the minimal autofluorescence and reduced light scattering thus allowing for improved signal-to-noise ratio and deeper penetration through tissues. Nowadays, the most commonly used NIR-emitting fluorescent probes rely mainly on organic fluorophores or quantum dots and exhibit drawbacks. Several lanthanide(III) ions (Ln³⁺) possess unique optical properties e.g. sharp emission bands the wavelengths of which have minimal sensitivity to the microenvironment, large differences between excitation and emission wavelengths and strong resistance toward photobleaching. In order to obtain the luminescence of lanthanides, the low absorbances of the free Ln³⁺ have to be overcome by the use of appropriate chromophoric groups functioning as a sensitizing “antenna”. We present here several families of Ln³⁺-based probes: (i) small molecules, in particular monometallic complexes constituted by the TTHA-anthraquinone moiety and Ln³⁺, and polymetallic self-assembled Ln³⁺/Zn²⁺ metallacrowns; (ii) novel nanomaterials based on polystyrene beads with two different loadings, i.e. d-f bimetallic Cr³⁺- Ln³⁺+ complex and hydroxyanthraquinone antennae and Ln³⁺ ; (iii) macromolecular generation-3 polyamidoamine dendrimers functionalized with aza-BODIPY sensitizers at their periphery and encapsulating the luminescent Ln³⁺. The photophysical properties, cytotoxicity and cellular uptake were reported and discussed for each of the presented types of Ln³⁺-based probes. Moreover, these probes were successfully tested for visible and/or NIR in vitro imaging by confocal or epifluorescence microscopy experiments. Finally, the reported Ln³⁺-based probes, due to the number of advantageous properties, represent significant breakthroughs toward the developments of new generations of optical imaging agents.

Les travaux de recherche actuels menés dans le domaine des supercondensateurs s’orientent vers l’augmentation des densités d’énergie, notamment via le développement de supercondensateurs hybrides "oxydes de métaux de transition / carbones activés". Dans ce contexte, les présents travaux avaient pour objectif d’évaluer les propriétés d’oxydes de cobalt nanométriques en tant que matériaux d’électrode positive pour supercondensateur hybride.Ces oxydes de cobalt, de structure spinelle, sont préparés par précipitation de nitrate de cobalt en milieu basique (T < 90 °C). Ils possèdent une formule chimique du type HxLiyCo3-δO4•zH2O et présentent une bonne conductivité électronique grâce à la présence d’ions H+, Li+ et Co4+. Les analyses par DRX, ATG, RMN et les mesures de conductivité électroniques ont mis en évidence une réorganisation de la structure spinelle de ces matériaux sous l’effet d’un traitement thermique, conduisant à une augmentation du rapport Co4+/Co3+ ainsi qu’à une amélioration des propriétés de transport électrique. L’association d’une conductivité électronique élevée et d’une forte surface spécifique confère à ces oxydes des performances prometteuses en tant que matériaux d’électrode.L’étude des propriétés électrochimiques a montré la présence de deux modes de stockage des charges, l’un électrostatique (double couche électrochimique) et l’autre faradique via l’oxydation et la réduction du cobalt. Elle a également permis de déterminer la signature électrochimique de ces oxydes (capacité, fenêtre de potentiels), prérequis indispensable à leur intégration dans une cellule complète. Finalement, un supercondensateur hybride "oxyde de cobalt / carbone activé" a été assemblé et équilibré, donnant lieu à des performances attractives (61,6 F/g sur 1,60 V). / Investigations on supercapacitors are focusing on increasing energy densities, in particular with the development of hybrid supercapacitors "metal oxides / activated carbons". In this field, the present work aims at evaluating nanometric cobalt oxides as positive electrode material for hybrid supercapacitors.These oxides, with spinel structure, are synthesized by precipitation of cobalt nitrate in a basic medium (T < 90 °C). They exhibit formulae such as HxLiyCo3-δO4•zH2O and good electronic properties thanks to the presence of H+, Li+ and Co4+ ions. XRD, TGA, NMR analysis as well as electronic measurements have highlighted a structural reorganization of the spinel structure under thermal treatment, resulting in increase of the Co4+/Co3+ ratio and an enhancement of the electronic transport properties. The high electronic conductivity together with a huge specific surface area imparts these oxides promising performances as electrode material.The study of the electrochemical properties underlines two charge storage mechanisms, one electrostatic (electrochemical double layer) and the other one faradic through the oxidation and the reduction of cobalt. The electrochemical signature (capacity, potential window) of these oxides was also determined in order to develop a complete cell. Finally, a hybrid supercapacitor "cobalt oxide / activated carbon" was assembled and balanced, revealing attractive performances (61,6 F/g over 1,60 V).

Les travaux de recherche actuels menés dans le domaine des supercondensateurs s'orientent vers l'augmentation des densités d'énergie, notamment via le développement de supercondensateurs hybrides "oxydes de métaux de transition / carbones activés". Dans ce contexte, les présents travaux avaient pour objectif d'évaluer les propriétés d'oxydes de cobalt nanométriques en tant que matériaux d'électrode positive pour supercondensateur hybride.Ces oxydes de cobalt, de structure spinelle, sont préparés par précipitation de nitrate de cobalt en milieu basique (T < 90 °C). Ils possèdent une formule chimique du type HxLiyCo3-δO4*zH2O et présentent une bonne conductivité électronique grâce à la présence d'ions H+, Li+ et Co4+. Les analyses par DRX, ATG, RMN et les mesures de conductivité électroniques ont mis en évidence une réorganisation de la structure spinelle de ces matériaux sous l'effet d'un traitement thermique, conduisant à une augmentation du rapport Co4+/Co3+ ainsi qu'à une amélioration des propriétés de transport électrique. L'association d'une conductivité électronique élevée et d'une forte surface spécifique confère à ces oxydes des performances prometteuses en tant que matériaux d'électrode.L'étude des propriétés électrochimiques a montré la présence de deux modes de stockage des charges, l'un électrostatique (double couche électrochimique) et l'autre faradique via l'oxydation et la réduction du cobalt. Elle a également permis de déterminer la signature électrochimique de ces oxydes (capacité, fenêtre de potentiels), prérequis indispensable à leur intégration dans une cellule complète. Finalement, un supercondensateur hybride "oxyde de cobalt / carbone activé" a été assemblé et équilibré, donnant lieu à des performances attractives (61,6 F/g sur 1,60 V).

Ce travail de thèse a porté sur l’élaboration de nanomatériaux hybrides de type nano-câbles fonctionnels, composés de polymères covalents et de molécules auto-assemblées. L’approche «bottom-up» adoptée repose sur des processus uniquement physiques, à savoir la nucléation hétérogène, la cristallisation et la gélification thermo réversible. Deux systèmes hybrides ont été élaborés et étudiés: le premier est composé de molécules de tetra-2-éthylhexanoate de bicuivre (CuS8) auto-assemblées en filaments, lesquels sont encapsulés au sein des fibrilles de polystyrène isotactique (iPS). Nous avons montré au travers de différentes études (DSC, DNPA,SQUID, EXAFS et IR-TF) que leur encapsulation permet non seulement de les stabiliser mais également de modifier leur comportement antiferromagnétique. Le deuxième système a consisté à des fibrilles de poly(alkylthiophène)s (P3AT), emmaillotées au moyen de molécules diamides (BHPB-10) capables de s'assembler en nanotubes. En plus des études de la morphologie et de la structuration par TEM et UV-Vis,nous avons étudié les propriétés de conductivité du système hybride P3BT/BHPB-10 en C-AFM. Nous avons montré qu’il est effectivement possible de réaliser des nano-câbles semi-conducteur gainés. / This thesis deals with new hybrid nanomaterials of functional nanocable-like structures, consisting of covalent polymers and self-assembled molecules. The «bottom-up» approach adopted for the elaboration is based only on physical processes such as heterogeneous nucleation, crystallization and thermoreversible gelation. This original approach allowed us to easily prepare two functional nanocables: the first consisted of bicopper tetra-2-ethylhexanoate (CuS8) molecules self-assembled on filaments which are encapsulated within isotactic polystyrene (iPS) fibrils. We proved throughout different studies (DSC, SANS, SQUID, EXAFS and FT-IR) that the encapsulation allows one to get stable filaments, and particularly to modify their antiferromagnetic behavior as well. The second system constituted of poly(alkylthiophene)s fibrilles (P3AT), sheathed by diamides molecules (BHPB-10) self-assembled on nanotubes. Besides the morphological and the structuration studies (TEM and UV-Vis), we investigated the conductivity of the hybrid system P3BT/BHPB-10 by C-AFM. Results showed the possibility to obtain sheathed semi-conducting nano-cables.

La génération de surfaces présentant des nanostructurations de surface variées et modulables est l’objectif principal de ce travail. L’auto-assemblage de copolymères à bloc ou de nanoparticules d’or a été privilégié, et nécessite pour se faire de moduler finement les interactions aux interfaces substrat/ matériaux déposés. Dans une première partie, un dispositif expérimental de greffage de silane alkyle en voie vapeur est décrit. Cette technique de greffage permet d’aboutir à des surfaces fonctionnalisées soit de façon homogène, soit de façon graduelle et ce, avec un ou deux silanes (substrat respectivement mono ou bi-composant). La robustesse, la simplicité et la flexibilité de notre procédé ont été démontrés par des caractérisations physico-chimique (mesure des propriétés de mouillabilité), chimique (spectroscopie de photoélectrons X) ainsi que par analyse topographique (microscopie à force atomique). Dans une deuxième partie, l’influence des interactions aux interfaces substrat / film sur l’auto-assemblage de copolymères à bloc PS-b-PMMA a été mise en évidence par AFM. A partir des substrats de silicium homogènes en énergie de surface, il a été possible de moduler la nanostructuration sur différents échantillons et à partir des surfaces fonctionnalisées graduellement, cette variation de nanostructuration a pu être obtenue sur un même substrat. Par l’utilisation de copolymère à bloc PS-b-PI, il est par ailleurs possible de générer des films nanostructurés sans préfonctionnalisation du substrat, sans recuit et ce quelle que soit l’épaisseur du film. Dans une troisième partie, l’influence des interactions aux interfaces sur l’assemblage capillaire/convectif dirigé de nanoparticules d’or a été démontré par microscopie à champ sombre. La nature chimique et la densité de greffage des silanes ainsi que la dimension des échantillons ont été modulées pour mettre en évidence le rôle de ces paramètres sur l’assemblage de ces particules. Cette étude montre que les interactions aux interfaces contrôlent l’assemblage des entités chimiques organiques et inorganiques et donc la nanostructuration de surface qui en résulte. / The purpose of this work is to develop a methodology based on the control of interactions at substrate/deposited material interfaces in order to achieve well-defined structures at the nanoscale (nanostructuration). In particular, silane molecules were grafted onto planar substrates to adjust the physico-chemical interactions in order to consequently control block copolymers / gold nanoparticles self-assemblies. The first part describes the experimental set-up developed to graft alkyl silanes through vapor phase strategy. The modification can be finely tuned such that homogeneously or gradually functionalized surfaces with either one or two silanes (or- or two-component substrate, respectively) are obtained. The versatility and simplicity of our process were demonstrated by wettability measurements, X-ray photoelectron spectroscopy and microscopic analysis (AFM) performed on these different surfaces. The second part points out the influence of grafting density and polarity on block copolymers self-assembly. PS-b-PMMA films were first used. With using homogeneously-modified substrates, it has been demonstrated that block copolymers self-assembly depends on substrate surface chemistry, and different cases (dewetting, wetting, parallel or perpendicular orientation of nanodomains) were achieved as a function of the grafting density of silanes on the substrate. Using gradually-modified surface, these different nanostructures were obtained on one unique sample. Moreover, by using appropriate deposition conditions with another block copolymer (PS-b-PI), well-oriented nanostructured films were obtained without pre-functionalization or annealing, regardless of film thickness. In the third part influence of surface chemistry on gold nanoparticles deposited through capillary/convective assembly is investigated and characterized by dark field microscopy. The careful selection of silane in conjunction with appropriate grafting density are adjusted in order to emphasize the impact of these parameters on the assembly process and therefore on the surface nanostructures. This study demonstrates that the control of interfacial interactions dictates the self-assembly of organic or inorganic materials deposited on a planar substrate.