Le remplissage des nanotubes de carbone (NTC) est considéré comme une approche relativement simple permettant de synthétiser des nanocristaux du fait de l'effet de confinement 1D imposé par la cavité centrale des NTC, qui peut être seulement de l'ordre du nanomètre ou moins, notamment dans le cas des NTC monoparoi et en particulier des NTC biparois (DWCNT) sur lesquels nous avons concentré nos efforts. De tels nanocristaux devraient avoir des propriétés physiques (électriques, magnétiques) différentes de celles de leurs équivalents à l'état massif du fait de la modification de la coordinence des atomes ou des ions les composant. Parmi les différentes méthodes existantes pour le remplissage des NTC, (in situ pendant la synthèse, a posteriori à partir de solutions), la méthode faisant intervenir des matériaux fondus est la plus populaire pour le remplissage par des matériaux inorganiques. Elle permet en effet d'atteindre des taux de remplissage raisonnablement élevés et demeure assez simple à mettre en œuvre. Cependant, elle fait preuve d'un certain nombre de limitations (techniques) qui posent problème dans le cas de matériaux à haut point de fusion (typiquement > 1000°C), dont la réactivité avec le carbone à haute température pourrait être gênante (carboréduction des oxydes par exemples), ou encore dont la faible mouillabilité vis-à-vis du carbone à l'état fondu est rédhibitoire (métaux par exemple). Il est possible de palier à cette difficulté en procédant par étapes successives et en remplissant d'abord les NTC avec un précurseur puis d'utiliser la cavité interne des NTC comme des nanoréacteurs afin de procéder dans un second temps à une transformation in situ. Dans ces travaux, nous avons étudié (1) le remplissage de DWCNT avec de l'iode ainsi qu'avec différents iodures métalliques en mettant en œuvre essentiellement la méthode des sels fondus. Nous avons étudié en détails l'influence des paramètres physico-chimiques du matériau de remplissage (réactivité chimique sous la forme en particulier du potentiel rédox du couple iodure métallique / métal, mais aussi viscosité, tension de surface, pression de vapeur saturante en milieu fondu) mais aussi du NTC (texture cylindrique ou "en arrêtes de poisson", diamètre, nombre de parois) sur le taux de remplissage. (2) Nous avons étudié en détail un certain nombre de structures inhabituelles de nanomatériaux confinés dans les DWCNT, en faisant appel à la modélisation structurale et à la simulation d'images de microscopie électronique sur la base de ces modèles pour guider notre analyse. (3) Nous avons enfin étudié différentes réactions in situ dans les DWCNT telles que la sulfuration, la réduction sous hydrogène ou encore la fluoration afin de synthétiser des nanocristaux originaux et de les caractériser en détails à l'aide d'outils tels que par exemple le MET Haute Résolution et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). / Filling carbon nanotubes (CNTs) has been considered as an easy approach to synthesize various nanocrystals since the inserted materials are forced to adopt a nearly one-dimensional morphology arising from their very high aspect ratio, especially in the case of single-walled CNTs (SWCNTs) or double-walled CNTs (DWCNTs). Nanocrystals/nanowires of transition metals, especially those with very narrow diameters, are predicted to exhibit peculiar magnetic property differing from the bulk metals. Filling CNTs provides a possible way for the synthesis of such metal nanocrystals/nanowires. There are several methods for filling CNTs including the in situ method, gas phase method, molten phase method, solution method, etc. Among them, molten phase has been very popular for filling various types of nanotubes due to the possibility to reach high filling rates, simplicity and versatility. However, for materials with high melting point such as metals, it is difficult to insert them into CNTs directly. To solve this problem, we also took advantage of the inner cavity of CNTs which not only templates the growth but also acts as a nanoreactor in order to perform chemical reactions. The insertion of materials with high melting point is typically achieved by first filling CNTs with a precursor, and then transforming the precursor into the desired 1D nanostructure by post-treatments. In this thesis, (i) filling DWCNTs with iodine and various halides via the molten phase method was performed and the influence of the relevant physical and chemical properties of the halides on the filling rate was investigated. The role of the redox potential as a main parameter driving the filling efficiency is pointed out, and explained; (ii) peculiar structures of the nanocrystals confined within DWCNTs were imaged by transmission electron microscopy (TEM) and corresponding modeling of the observed crystal nanostructures and related TEM images were proposed; (iii) different in situ transformations on the iodide-filled DWCNTs were attempted and the chemical composition of the encapsulated 1D nanocrystals before and after post-filling treatments was systematically identified by means of electron energy loss spectroscopy (EELS).

Aujourd’hui, les difficultés pour établir des liens entre caractéristiques des nanomatériaux et réponses biologiques sont principalement issues du manque de contrôle de la synthèse des nanomatériaux, ne permettant pas de faire varier leurs paramètres physico-chimiques clés une à une.Pour identifier certains mécanismes gouvernant la toxicité des nanomatériaux nous avons utilisé un nanotube inorganique modèle dont la synthèse est bien contrôlée : les Ge-imogolites. Les effets de la longueur, du nombre de parois, de la cristallinité et de la composition chimique des Ge-imogolites ont été étudiés sur une bactérie des sols: Pseudomonas brassicacearum. Il a été identifié que la présence de sites réactifs (en bordure de tubes) induit une toxicité due à une interaction forte des nanotubes avec les cellules bactériennes, ainsi que la génération d’espèces réactives de l’oxygène. Ajouter des sites réactifs via la présence de défauts structuraux augmente la dégradation des tubes ainsi que la rétention d’éléments nutritifs essentiels, ce qui augmente leur toxicité. Enfin, l’ajout de fer dans leur structure transforme les Ge-imogolites en source de fer, qui sont dégradées et deviennent promoteurs de croissance. Dans tous ces cas, les interactions entre nanomatériaux et cellules ont été identifiées comme cruciales pour comprendre et prévenir les effets des nanomatériaux. Ce travail de thèse a également permis de mettre en avant la capacité de nouveaux outils pour le suivi de l’internalisation de nanomatériaux dans les organismes. / Only a few studies of (eco)toxicology linked the physico-chemical properties of nanoparticles to the toxicity mechanisms or the stress they induce. Moreover, no clear conclusions can be drawn at present because of the variability of nanoparticles used in studies. The present study used the inorganic Ge-imogolite nanotubes as a model compound. The toxic effects of length, number of walls, structural defects, and chemical composition were assessed towards the soil bacteria Pseudomonas brassicacearum. Several mechanisms modulating the toxicity of Ge-imogolite were then identified. Indeed, reactive sites at the tube ends induce a slight toxicity via a strong cell interaction and the generation of reactive oxygen species. Creating vacant sites on the surface of Ge-imogolite (ant thus increasing the number of reactive sites), appears to cause a deficiency of nutrients in the culture media correlated with a higher degradation of the tubes, leading to a high bacterial growth decrease. Finally, structural iron incorporation into Ge-imogolite transforms them into an iron source, being degraded and becoming growth promoters. In this work, the new tools capacities for the study of nanomaterials/cells interaction have been studied.

Cette thèse décrit l'état de l'art des sondes et nanoparticules fluorescents traditionnels utilisés en imagerie de fluorescence ainsi que le développement de nouveaux nanomatériaux à base de polymère à empreinte moléculaire, aussi dénommé ‘anticorps plastique’, pour le ciblage et la bioimagerie. En biologie et en médecine, il y a un besoin constant de diagnostiquer diverses maladies pour leur éventuel traitement et prévention. Une distribution anormale et un taux élévé de glycosylation (e.g. acides hyaluronique et sialique) à la surface ou dans les cellules sont indicateurs d’une infection ou d’un cancer. Généralement, l’imagerie par fluorescence permet de visualiser, localiser et quantifier les biomarqueurs de pathologie mais à l’heure actuelle, il n’existe pas d’outil analytique fiable pour cibler spécifiquement les molécules de glycosylation car les anticorps et les lectines vendus dans le commerce ont une faible affinité et sélectivité vis-à-vis de ces cibles. Dans ce contexte, les polymères à empreintes moléculaires (MIPs) pourraient apporter une solution. Les MIPs sont des récepteurs synthétiques possédant des affinités et sélectivités comparables à ceux des anticorps, mais exhibant une stabilité physique, thermique et chimique bien plus accrue. De plus, leur fabrication est peu coûteuse et ne nécessite pas de tuer des animaux comme pour l’obtention des anticorps biologiques. Dans cette thèse, nous avons optimisé et synthétisé des MIPs biocompatibles pour leur utilisation en bioimagerie afin de détecter et quantifier l’acide hyaluronique et l’acide sialique sur les cellules et les tissus de peau humaine. L’acide glucuronique, une composante de l’acide hyaluronique et l’acide N-acétylneuraminique, l’acide sialique le plus commun, ont été utilisés comme molécules ‘patron’, générant des MIPs très sélectifs envers leur cible en milieu aqueux. Deux types de nanoparticules de MIPs fluorescents ont été synthétisés: (1) en incorporant un colorant rhodamine polymérisable dans la solution de pré-polymérisation et (2) en encapsulant des boîtes quantiques InP/ZnS générant ainsi des MIPs de type cœur-coquille. Pour cela, nous avons adopté une stratégie innovante qui consiste à synthétiser les coquilles de MIPs directement autour des boîtes quantiques en utilisant l’énergie de l’onde fluorescente émise par l’excitation des points quantiques, pour initier la polymérisation. Un protocole d'immunocoloration standard a ensuite été optimisé afin d’imager des kératinocytes humains fixés et vivants ainsi que des tissus de peau, par microscopie à épifluorescence et confocale. Les résultats étaient similaires à ceux obtenus par la méthode de référence utilisant une protéine biotinylée reconnaissant l'acide hyaluronique. L'imagerie multiplex en combinant deux MIPs couplés à deux couleurs de boîtes quantiques et l’imagerie des cellules cancéreuses ont également été démontrées. Bien que les MIPs n’étaient pas cytotoxiques aux concentrations utilisées pour la bioimagerie, la toxicité des différentes composantes du MIP pourrait être un frein à leur utilisation dans le domaine biomédical. Afin de rendre ces MIPs plus ‘inoffensifs’, nous avons supprimé l’amorceur de polymérisation, une molécule considérée comme toxique. Les MIPs ont été synthétisés en employant des monomères qui s’auto-initient sous l’effet de l’UV ou de la chaleur. La spécificité et la sélectivité des MIPs obtenus étaient similaires à ceux préparés avec des amorceurs. En conclusion, cette thèse décrit la première utilisation des MIPs comme anticorps synthétique pour la bioimagerie de fluorescence. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles applications en détection, diagnostique et thérapie par des MIPs. / This thesis describes the state of the art in nanomaterials-based targeted bioimaging and introduces molecularly imprinted polymers, also termed ‘plastic antibodies’ as novel biorecognition agents for labeling and imaging of cells and tissues. In fundamental biology and medical diagnostics, there is a constant need to localize and quantify specific molecular targets. Abnormal glycosylation levels or distributions of hyaluronan or sialic acids on cells are indicators of infection or malignancy. In general, bioimaging with fluorescent probes enables the localization and qualitative or quantitative determination of these pathological biomarkers. However, no reliable tools for the recognition of glycosylation sites on proteins exist, because the commercially available antibodies or lectins have poor affinity and selectivity for these targets. In this context, tailor-made molecularly imprinted polymers (MIPs) are promising synthetic receptor materials since they present a series of advantages over their natural counterparts such as the ease and low cost of preparation and their physical and chemical stability. Thus, MIPs could provide a robust and specific imaging tool for revealing the location/distribution, time of appearance and structure of glycosylation sites on/in cells, which would lead to a better insight of the tremendously diverse biological processes in which these molecules are involved. Herein, we describe the synthesis of water-compatible MIPs for the molecular imaging of hyaluronan and sialylation sites on cells and tissues. Since molecular imprinting of entire biomacromolecules like oligosaccharides is challenging, we opted for what is commonly called the ‘epitope approach’, which was inspired by nature. The monosaccharides, glucuronic acid and N-acetylneuraminic acid were imprinted, and the resulting MIPs were able to bind these molecules when present and accessible on the terminal unit of hyaluronan and sialylation sites. Fluorescent MIPs were synthesized as rhodamine-labeled nanoparticles and as MIP-coated InP/ZnS core-shell quantum dot (QD) particles. For the coating of the QDs, a novel versatile solubilization and functionalization strategy was proposed, which consists of creating polymer shells directly on QDs by photopolymerization using the particles as individual internal light sources. A standard immunostaining protocol was then successfully adapted for the application of the fluorescently labeled MIPs to image fixed and living human keratinocytes and skin tissues, by epifluorescence and confocal fluorescence microscopy. The results were comparable to those obtained with a reference method where staining was done with a biotinylated hyaluronic acid binding protein. Multiplexed and cancer cell imaging were also performed, demonstrating the potential of molecularly imprinted polymers as a versatile biolabeling and bioimaging tool. Although the MIPs were not cytotoxic at the concentrations used for bioimaging, in order to render them generally applicable in biomedicine, where toxicity of the polymerization precursors is a matter of concern, we suppressed the initiator, a toxic chemical. Initiator-free MIPs were thus synthesized by using monomers that can self-initiate under UV irradiation or heat. The specificity and selectivity of the obtained MIPs were as good as the ones prepared with initiators. In conclusion, we have demonstrated for the first time the great potential of MIPs as synthetic antibody mimics for bioimaging. The possibility to associate other functionalities such as QDs and additionally attach drugs to the same material appears rather straightforward due to the synthetic polymeric nature of MIPs, which paves the way to new potential applications in theranostics.

Cette thèse décrit le développement de nouvelles méthodes pour obtenir des nanoparticules fonctionnelles polyvalentes qui peuvent potentiellement être utilisées pour des applications biomédicales telles que la vectorisation de médicaments, des essais biologiques et la bio-imagerie. Les nanomatériaux sont des outils polyvalents qui ont trouvé des applications comme vecteurs de médicaments, la bio-imagerie ou les biocapteurs. En particulier, les nanoparticules de type core-shell ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur petite taille, une relation surface/volume élevée, et une biocompatibilité. Dans ce contexte, nous proposons dans la première partie de la thèse (Chapitre 2), une nouvelle méthode pour obtenir des nanoparticules core-shell via la polymérisation radicalaire en émulsion et vivante combinées. Des particules cœurs de polystyrène de 30 à 40 nm, avec une distribution de taille étroite et portant à la surface des groupements iniferter ont été utilisés pour amorcer la polymérisation supplémentaire d'une couche de polymère. Des nanoparticules core-shell ont été préparées de cette façon. Différents types d’enveloppes : anionique, zwitterioniques, à empreintes moléculaires, thermosensibles, ont ainsi été greffées. Notre méthode est une plate-forme polyvalente permettant d'ajouter des fonctionnalités multiples soit dans le noyau et/ou l'enveloppe pour les études d'interaction cellulaire et de toxicité, ainsi que des matériaux récepteurs pour l'imagerie cellulaire. Dans la deuxième partie de la thèse (Chapitre 3), nous décrivons un procédé nouveau et polyvalent pour la modification de surface des nanoparticules de conversion ascendante (UCP). Ce sont des nanocristaux fluorescents dopés de lanthanides qui ont récemment attiré beaucoup d'attention. Leur fluorescence est excitée dans le proche infrarouge, ce qui les rend idéales comme marqueurs dans des applications biomédicales telles que les tests biologiques et la bio-imagerie, l'auto-fluorescence étant réduite par rapport à des colorants organiques et les quantum dots. Cependant, les UCP sont hydrophobes et non-compatible avec les milieux aqueux, donc une modification de leur surface est essentielle. La stratégie que nous proposons utilise l'émission UV ou visible après excitation en proche infrarouge des UCP, comme source de lumière secondaire pour la photopolymérisation localisée de couches minces hydrophiles autour les UCP. Notre méthode offre de grands avantages comme la facilité d'application et la fonctionnalisation de surface rapide pour fixer divers ligands, et fournit une plateforme pour préparer des UCP encapsulée de polymères pour des différentes applications. Des hydrogels stimuli-sensibles sont des matériaux qui changent leurs propriétés physicochimiques en réponse à des stimuli externes tels que la température, le pH ou la lumière. Ces matériaux intelligents jouent un rôle critique dans des applications biomédicales telles que la vectorisation de médicaments ou l'ingénierie tissulaire. La troisième partie de cette thèse (Chapitre 4) propose un nouveau procédé de préparation d'hydrogels photo et pH sensible. Deux composantes, l'un photosensible à base dl'acide 4-[(4-méthacryloyloxy) phénylazo] benzoïque et l'autre cationic contenant des unités 2-(diéthylamino)éthyl méthacrylate, ont été synthétisés. Leur association donne des particules monodispersées de 100 nm photo et pH sensibles. Ces nanoparticules peuvent être potentiellement utilisées pour la vectorisation de médicaments, en particulier de biomolécules telles que protéines ou siARN. En conclusion, nous avons conçu plusieurs nouvelles méthodes efficaces, polyvalentes, génériques et facilement applicables pour obtenir des nanoparticules et nanocomposites de polymères fonctionnels qui peuvent être appliqués dans de différents domaines biomédicaux comme la vectorisation de médicaments, les biocapteurs, les tests biologiques et la bio-imagerie. / This thesis describes the development of novel methods to obtain versatile, functional nanoparticles that can potentially be used for biomedical applications such as drug delivery, bioassays and bioimaging. Nanomaterials are versatile tools that have found applications as drug carriers, bioimaging or biosensing. In particular, core-shell type nanoparticles have attracted much attention due to their small size, high surface to volume ratio and biocompatibility. In this regard, we propose in the first part of the thesis (Chapter 2), a novel method to obtain core-shell nanoparticles via combined radical emulsion and living polymerizations. Polystyrene core seeds of 30-40 nm, with a narrow size distribution and surface-bound iniferter moieties were used to further initiate polymerization of a polymer shell. Core-shell nanoparticles were prepared in this way. Different types of shells : anionic, zwitterionic, thermoresponsive or molecularly imprinted shells, were thus grafted. Our method is a versatile platform with the ability to add multi-functionalities in either the core for optical sensing or/and the shell for cell interaction and toxicity studies, as well as receptor materials for cell imaging. In the second part of the thesis (Chapter 3), we describe a novel and versatile method for surface modification of upconverting nanoparticles (UCPs). UCPs are lanthanide-doped fluorescent nanocrystals that have recently attracted much attention. Their fluorescence is excitated in the near infrared, which makes them ideal as labels in biomedical applications such as bioimaging and bioassays, since the autofluorescence background is minimized compared to organic dyes and quantum dots. However, UCPs are hydrophobic and non-compatible with aqueous media, therefore prior surface modification is essential. The strategy that we propose makes use oft he UV or Vis emission light of near-infrared photoexcited upconverting nanoparticles, as secondary light source for the localized photopolymerization of thin hydrophilic shells around the UCPs. Our method offers great advantages like ease of application and rapid surface functionalization for attaching various ligands and therefore can provide a platform to prepare polymeric-encapsulated UCPs for applications in bioassays, optical imaging and drug delivery. Stimuli responsive hydrogels are materials that can change their physico-chemical properties in response to external stimuli such as temperature, pH or light. These smart materials play critical roles in biomedical applications such as drug delivery or tissue engineering. The third part of the thesis (Chapter 4) proposes a novel method for obtaining photo and pH-responsive supramolecularly crosslinked hydrogels. Two building blocks, one containing photoresponsive 4-[(4-methacryloyloxy)phenylazo] benzoic acid and the other, consisting of cationic 2-(diethylamino)ethyl methacrylate units, were first synthesized. Combining the two building blocks yielded photo and pH responsive monodisperse 100-nm particles. These nanoparticles can be eventually utilized for drug delivery, especially delivery of biomolecules such as siRNAs or proteins. In conclusion, we have designed several new efficient, versatile, generic and easily applicable methods to obtain functionalized polymer nanoparticles and nanocomposites that can be applied in various biomedical domains like drug delivery, biosensing, bioassays and bioimaging.

Les matériaux poreux silicatés ont été mis à profit pour encapsuler différents types de molécules, clusters ou nano-objets fonctionnels, donnant lieu à des nanocomposites hybrides organiques-inorganiques à propriétés physiques, chimiques ou biologiques remarquables. Élucider l'organisation structurale à l'échelle moléculaire de tels nanocomposites est indispensable pour l'analyse et la compréhension des propriétés macroscopiques qui en découlent. Ainsi, les techniques de diffusion totale associées à la fois à l'analyse Debye et la Fonction de Distribution de Paires (PDF) sont des méthodes de choix pour la caractérisation des propriétés structurales de matériaux hybrides nano-structurés. Le principal objectif de ce travail consiste à l'utilisation des approches basées sur la diffusion totale de rayons X pour l'analyse structurale complète de molécules photoactives confinées dans des matrices silicatées amorphes avec différentes tailles de pores, afin d'étudier l'influence de l'organisation structurale sur les propriétés optiques et d'explorer également les limites de ces approches d'analyse. Nous avons étudié deux systèmes photoactifs. L'analyse structurale du premier complexe confiné, Na2[Fe(CN)5NO].2H2O (SNP), a été entreprise par une approche multi-échelle combinant la RMN du solide et l'analyse PDF. Cette approche a permis l'identification de la nature des espèces incorporées, l'arrangement des cations et des anions ainsi que la distinction des différentes phases existantes : molécules isolées et nanoparticules. Les analyses Debye et PDF sur le deuxième composé étudié, [NdCl2(H2O)6]Cl, montrent que l'organisation structurale du complexe confiné est différente de celle du matériau massif cristallin. De plus, les cations Nd3+ changent de coordination de 8 à 9 durant le processus d'imprégnation et adoptent ainsi un arrangement structural très similaire à celui en solution aqueuse. Cette modification structurale est en accord avec le changement des propriétés luminescentes de ce complexe / Silica xerogels are versatile host materials for the inclusion of molecules, clusters, or nano-objects yielding host-guest compounds with unique physical, chemical or biological properties. The knowledge of the structural organization of the guest within the host is crucial for the understanding of its properties. Total scattering methods, based on Debye function analysis (DFA) and Pair Distribution Function (PDF), have become powerful tools for structural characterization of nanostructured hybrid materials. The aim of this work is to use the X-ray total scattering method to obtain structural information on photoactive molecules embedded into amorphous silica hosts with different pore sizes, to correlate their structure with the optical properties, and to explore the limitations of the chosen method. Two different photoactive complexes have been investigated. In the first example, the combined PDF and NMR study on Na2[Fe(CN)5NO].2H2O (SNP) embedded into silica matrices allows to extract the nature of the inserted species: quasi-free isolated molecules can be distinguished from nanoparticles and in the former case a model for the arrangement of cation-anion can be proposed from the PDF analysis. In the second example, a luminescent Nd3+ complex, the PDF and DFA analysis reveal that the structural organization of the embedded Nd3+ complexes is different from that of the crystalline material. Furthermore, the Nd3+ cations change the coordination from 8 to 9 during the wet-impregnation doping and adopt very similar structural arrangement as in aqueous solution, which is in agreement with the observed change in the luminescence properties

Les nano-composés de type Sn1-xTaxO2 (0 ≤ x ≤ 0,03) ont été étudiés en vue de leurs propriétés thermoélectriques. Une méthode de co-précipitation a été utilisée pour synthétiser des nano-poudres ayant une taille des grains moyenne d’environ 3 nm. L’étude structurale et microstructurale a suggéré une limite de solubilité pour le Ta de 0,008 ≤ x < 0,010. Ces nano-poudres ont été ensuite densifiées par Spark Plasma Sintering, avec des compacités atteignant ~ 95%. Le dopage en Ta a permis une amélioration des propriétés thermoélectriques du SnO2 et, en accord avec la limite de solubilité, une valeur maximale du facteur de mérite de 4,7x10-5 K-1 a été observée pour l’échantillon x = 0,008. De plus, nous avons démontré qu’une diminution de la taille des grains permettait d’améliorer le coefficient Seebeck, de diminuer la conductivité thermique, mais conduisait à une diminution de la conductivité électrique. La stabilité des oxydes, notamment à l'échelle nanométrique, est remise en question par des caractérisations physico-chimiques. Partant de ces matériaux à base de SnO2, un nano-composite (ZnO-SnO2) a été étudié. Le composé Zn1-xGdxO (0 ≤ x ≤ 0,03) a été préparé par la méthode de Péchini et caractérisé en comparant avec d’autres matériaux à base de ZnO. Un premier test de nano-composite M30 (30% en masse Sn0.996Ta0.004O2 et 70% en masse Zn0.997Gd0.003O) a été mené. Le résultat obtenu a montré qu’une concentration de nano-inclusion Sn0.996Ta0.004O2 de 30 % ne permettait pas d’améliorer les propriétés thermoélectriques du nano-composite M30, par rapport aux matériaux de départ. / The nano-compound Sn1-xTaxO2 (0 ≤ x ≤ 0.03) was studied with a view to their thermoelectric properties. A method of co-precipitation was used to synthesize nano-powders having an average grain size of about 3 nm. The structural and microstructural study suggested a solid solubility limit of 0.008 ≤ x < 0.010. These nano-powders were then densified by Spark Plasma Sintering, with density reaching ~ 95%. The doping of Ta improved the thermoelectric properties, and in good agreement with the solubility limit, a maximum value of the factor of merit of 4.7x10-5 K-1 was observed for the sample x = 0.008. The stability of oxides, particularly at the nanoscale, is questioned by physicochemical characterizations. From these SnO2-based materials, a nano-composite (ZnO-SnO2) was studied. The compound Zn1-xGdxO (0 ≤ x ≤ 0.03) was prepared by the method of Pechini and characterized by comparing with other ZnO-based materials. A first test of nano-composite M30 (30 wt% Sn0.996Ta0.004O2 and 70 wt% Zn0.997Gd0.003O) was conducted. The result showed that a concentration of 30% nano-inclusion Sn0.996Ta0.004O2 did not allow to improve the thermoelectric properties of nano-composite M30, compared to the starting materials.

<p align='justify'>L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique.</p><p><p align='justify'>Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté).</p><p><p align='justify'>L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales).</p> <p><p align='justify'>Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement.</p><p><p align='justify'>Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.</p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La caractérisation de nanomatériaux dans des matrices alimentaires et animales suscite un intérêt scientifique important afin d’évaluer les risques potentiels de l’exposition liés à l’utilisation grandissante des nanomatériaux par plusieurs industries, y compris un certain nombre d’applications agroalimentaires. Un facteur limitant à l’étude et la réglementation des nanomatériaux dans des matrices complexes telle que la nourriture est l’absence de méthodes standardisées pour l’extraction et l’analyse de nanoparticules, tout en évitant l’altération de certaines caractéristiques physicochimiques des nanoparticules. Les travaux présentés dans ce mémoire abordent l’optimisation de plusieurs approches de préparation d’échantillon (hydrolyse enzymatique et alcaline) pour l’extraction de nanoparticules d’Ag préalablement équilibrées dans une matrice de boeuf haché mi-maigre. Les nanoparticules extraites ont été analysées par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif en mode particule unique (SP-ICP-MS) permettant la mesure de leur taille et concentration, mais aussi de la concentration en métal dissous, le tout à de très faibles concentrations (de l’ordre du ng/L). La validation de l’analyse par SP-ICP-MS a été réalisée par évaluation de la répétabilité, de la détermination des limites de détection et par une investigation de l’influence du traitement de données sur l’interprétation des résultats. Les pertes de nanoparticules lors de la préparation des échantillons ont été minimisées par l’identification et l’optimisation de paramètres clés tels que la composition du médium d’extraction, l’utilisation d’ultrasons et de la manipulation de l’échantillon après dégradation de la matrice. Les meilleurs recouvrements ont été obtenus par hydrolyse alcaline de la matrice en utilisant de l’hydroxyde de tetramethylammonium (TMAH), mais les échantillons obtenus étaient moins stables et plus susceptibles aux altérations des propriétés physicochimiques des nanoparticules que pour la dégradation par hydrolyse enzymatique utilisant lipase et pancréatine de porc. / The regulation and characterization of nanomaterials in foods and animal matrices are of great interest due to the potential risks associated with their exposure and the increasing number of instances where they are used within the food industry. One factor limiting the scientifically rigorous regulation of nanoparticles in foods is the lack of standardized procedures for the extraction of nanoparticles (NP) from complex matrices, without alteration of their physico-chemical properties. To this end, two sample preparation approaches (enzymatic- and alkaline-based hydrolyses) were tested and optimized in order to extract 40 nm Ag NP, following their equilibration with a fatty ground beef matrix. Extracted NP were characterized using single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (SP-ICP-MS), allowing the determination of NP size and concentrations and also dissolved metal concentrations at trace levels. Validation of the SP-ICP-MS analysis was achieved by an evaluation of the repeatability and accuracy and by a determination of the various detection limits. Finally, we also looked into the influence of data treatment on interpretation of the results. NP losses during the sample preparation were minimized by identifying and optimizing key parameters such as the composition of the extraction media, usage of ultrasonication or the handling of the sample after separation from the undigested matter, among other points. The alkaline approach using TMAH (tetramethylammonium hydroxide) was found to have the highest recoveries, however processed samples were found to be less stable and more prone to alteration of the Ag NP physicochemical characteristics than samples processed using an enzymatic digestion based upon pork pancreatin and lipase.

Alors qu’un nombre non négligeable de produits contenant des nanomatériaux est déjà présent sur les marchés, nous manquons de recul tant en ce qui concerne les risques pour la santé et l’environnement que les bénéfices qu’ils peuvent apporter à la société sur le long terme. La présente thèse aborde la question suivante : quel régime règlementaire est en mesure de procurer le plus haut niveau de protection contre les risques avérés ou suspectés des nanotechnologies tout en soutenant simultanément la compétitivité et l'innovation ? Bien que l’Union européenne et les Etats-Unis se soient efforcés de trouver des solutions nuancées en fonction des besoins, des capacités, des enjeux inhérents à chaque secteur concerné et de leurs traditions juridiques respectives, l’on ne peut que constater l’émergence d’une réglementation des nanotechnologies à géométrie variable. / While a significant number of products containing nanomaterials is already in widespread use, we have little understanding of risks and benefits they can bring to the society in the long term. The objective of this PhD thesis is to answer the following question: which regulatory framework can ensure a high level of protection against real or suspected risks of nanotechnologies while promoting competitiveness and innovation ? Although the European Union and the United States have attempted to find nuanced solutions according to the needs, capacities and challenges, which are proper to each sector concerned and their respective legal traditions, the emerging regulatory framework for nanotechnologies is characterised by a high degree of fragmentation.

Ces travaux de recherche portent sur le développement d'un système original de fusion de données de diffusion électromagnétique et optique par des milieux denses et complexes. La méthode, à la fois théorique, numérique et expérimentale, permet la fusion des signatures de diffusion hyperspectrales, polarimétriques et angulaires d'un milieu d'étude. Un système expérimental multi-capteurs comprenant une source laser supercontinuum est présenté pour mesurer les signatures de diffusion de différentes cibles. Des modèles directs de simulation physique ont aussi été développés via : (i) une approche dite « top-down » qui modélise les signatures à partir de paramètres macroscopiques (ex. rugosité, indices optiques effectifs) ou (ii) une approche dite « bottom-up » qui modélise les signatures à partir de paramètres microscopiques (ex. distribution en taille, géométrie, concentration, indices optiques et structuration des diffuseurs) en résolvant soit l'équation de transfert radiatif ou directement les équations de Maxwell. Des méthodes inverses appliquées sur les signatures mesurées sont développées pour retrouver simultanément les paramètres d’intérêt du milieu analysé. Les avancées de ces travaux permettent une amélioration de la compréhension des phénomènes de diffusion électromagnétiques et optiques par des milieux denses et complexes tels que les surfaces rugueuses, les revêtements, les nanomatériaux, les suspensions colloïdales ou les agrégats fractals d'aérosols ultrafins. Les domaines d'applications de ces travaux sont l'aéronautique (ex. peintures d'aéronefs), l'imagerie aéroportée ou satellite (ex. imagerie active hyperspectrale ou polarimétrique), la sécurité et la défense (ex. matériaux pour la furtivité) ou bien les sciences de l'atmosphère (ex. systèmes LiDAR, suivi de pollution, suies), l'industrie chimique (ex. suspensions colloïdales) ou le biomédical (ex. diagnostic de tumeurs et mélanomes). / This work reports the development of an original data fusion system dedicated to electromagnetic and light scattering by dense and complex media. The dissertation encompasses the theoretical, numerical and experimental studies. The output of the data fusion system is a fused hyperspectral, polarimetric and angular scattering signature. An experimental multi-sensor and supercontinuum laser-based system is presented to measure the scattering signatures for various targets. Direct physical simulation models were developed using a two-level modelling scheme: (i) a top-down approach is used to model signatures from macro-physical parameters, e.g. the surface roughness or the effective refractive index and, (ii) a bottom-up approach is used to model signatures from microphysical parameters, e.g. the size distribution, the geometry, the concentration, the refractive index and the structuration of the scatterers, by solving the radiative transfer equation or directly the Maxwell's equations. Inversion schemes are deployed to retrieve these parameters by inverting the experimental signatures. The advancements described throughout this dissertation will serve to improve understanding of electromagnetic and light scattering by dense and complex media such as rough surfaces, coatings, nanomaterials, colloidal suspension and fractal aggregates of ultrafine aerosols. This study has relevant applications in fields as diverse as aeronautics (e.g. aircraft paint coatings), remote-sensing (e.g. hyperspectral, polarimetric, active or passive imaging), security and defense (e.g. furtive materials), atmospheric science (e.g. black carbon or soot characterization, LiDAR systems), chemical engineering (e.g. colloidal suspensions), or biomedical (e.g. tumor and melanoma diagnostic).