Les nanoparticules métalliques (NPs) présentent des propriétés optiques (PO) uniques provenant de l’oscillation collective de leurs électrons. Cet effet se traduit par l'émergence d'une bande plasmon dont les caractéristiques peuvent être modulées par la taille, la forme, la nature des NPs et le milieu hôte. Il existe de nombreuses méthodes pour la préparation de ces NPs, l'une d'entre elles est l'ablation laser en milieu liquide (ALML). Cette technique offre certains avantages comme la simplicité, l’adaptabilité et des NPs dépourvues de contamination. Ses principaux inconvénients sont la productivité et le contrôle de la taille et de la forme des NPs. Ce travail est consacré à l'élaboration de NPs d’Ag par l’ALML et à l'étude théorique de leurs PO. Nous donnons dans ce manuscrit, les résultats de l'optimisation des paramètres d'élaboration conduisant à l'obtention de distributions en NPs reproductibles et contrôlées. Les PO de ces NPs sont mesurées et comparées à des modèles physiques spécifiques basés sur la théorie des milieux effectifs (EMT). L'EMT, telle que le modèle de Maxwell-Garnett, permet de décrire les PO de NPs monodisperses. Cependant, les voies de préparation classiques conduisent inévitablement vers des NPs montrant une distribution de forme et de taille qui induit des changements drastiques sur leurs PO. Le modèle SDEMT est proposée pour le calcul de la fonction diélectrique effective et du coefficient d'absorption de solutions colloïdales de NPs métalliques. Contrairement à Maxwell-Garnett, ce modèle donne une meilleure description des spectres d'absorption et d’ellipsométrie mesurés sur des échantillons contenant des NPs d’Ag et d’Au / Metal nanoparticles (NPs) exhibit unique optical properties (OP) coming from the collective oscillations of their electrons. This effect is translated by the emergence of a band of plasmon, the characteristics which can be modulated by the size, the shape and the nature of the NPs as well as by the environment of the host. There are many methods for the preparation of NPs, and one of them is the pulsed-laser ablation in liquid (PLAL). This technique offers some advantages such as simplicity, versatility and surface NP without contamination (reducing agent residues and/or stabilizers). Its main drawbacks are the lacks of productivity and control of the NP size and shape. This work is devoted to elaboration of Ag NPs by PLAL and theoretical investigation of their OP. We give here the results about the optimization of elaboration parameters leading to obtaining reproducible and controlled distributions of Ag NPs. The OP of these NPs are measured and compared to specific physical models based on the effective medium theory (EMT). Classical EMT such as Maxwell Garnett approximation allows describing the OP of monodisperse NPs. However, conventional preparation routes unavoidably conduct to NPs showing a shape and a size distribution which induces drastic changes in the OP. A SDEMT model which considers the shape dispersion is proposed for the calculation of the effective dielectric function and absorption coefficient of colloidal solution of metal NPs in water. Contrary to the conventional theory, this model gives a better description of the measured absorption and ellispometry spectra of sample containing Ag and Au NPs

La toxicité potentielle des nanomatériaux présente un intérêt sociétal et scientifique élevé en raison de la promesse d'innovations pour de nombreuses applications techniques. Cependant, elle n’est pas forcément liée à la taille réelle, à la masse, à la surface des nanoparticules (NP) ou à leurs agglomérats. La toxicité des NPs pourrait être fortement influencée par d'autres propriétés inhérentes et encore incomprises telles que le relargage d’ions, de la particule elle-même, sa surface, ou des molécules adhérentes à la surface, qui interfèreraient avec l'absorption cellulaires des NPs. Le projet « NANOGAM» étroitement lié au projet « FNR CORE2012 NANION », vise à définir certains processus et facteurs impliqués dans l'absorption des NPs et leur toxicité. Une telle compréhension est une condition préalable au développement des nanomatériaux, fondement de la philosophie « safer-by-design ». Les objectifs de ce projet de thèse sont multiples. En tenant compte des caractéristiques des principaux paramètres physico-chimiques tels que la taille et l’aspect de la surface, l’étude a porté sur l'absorption de NPs d'argent et d'or, et leurs effets biologiques via une approche multi-biomarqueurs (mortalité, effets comportementaux, effets physiologiques, effets transcriptomiques, etc.) sur une espèce sensible, Gammarus fossarum (Crustacea Amphipoda). Le but de cette investigation est de comprendre si la toxicité des nanomatériaux est inhérente aux propriétés intrinsèques des NPs ou plutôt aux ions relargués, ce qui contribuera à la prédiction de la toxicité des NPs en rapport avec leurs propriétés physico-chimiques et ce afin de limiter le nombre d’essais répétitifs sur de nouveaux nanomatériaux. G. fossarum ont été exposés à de faibles concentrations d'AgNPs et AuNPs pendant 72h à jeun et 15 jours nourris. Les résultats obtenus ont montré que (i) la nature de l’enrobage de surface est le principal facteur responsable de l'absorption d'AgNPs et d'AuNPs par G. fossarum ; (ii) les ions libérés et les NPs elles-mêmes jouent un rôle dans la toxicité des AgNPs et AuNPs étudiées ; (iii) la composition chimique des NPs a conduit à des effets différents aux niveaux sub-individuels (transcriptomique), ainsi qu’à une distribution différente dans les tissues selon la nature métallique de la NP. Les AgNPs ont été localisées dans les branchies de G. fossarum tandis que les AuNPs ont été observées dans les caeca intestinaux. Cette étude a également révélé que Gammarus sp. est un excellent modèle pour l'étude de la toxicité et des effets des AgNPs et des AuNPs / The potential toxicity of nanomaterials is of high societal and scientific interest due to the promise of ground-breaking innovations for many technical applications. However, toxicity can often not be related to the actual size, mass or surface area of the single nanoparticles (NPs) or the NP agglomerates. Therefore, it can be proposed that the toxicity is greatly influenced by other inherent and non-understood properties of the particles to which ions dissolving from the particle, surface or molecules adhering to the surface interfering with the uptake of NPs into cells, may have important contributions. The PhD project “NANOGAM”, closely linked up to CORE2012 NANION project that aims to obtain knowledge to understand some of the processes and factors involved in NP uptake and toxicity as such understanding is a prerequisite for the development of nanomaterials following the safer-by-design philosophy. This PhD project aims to investigate, based on known characteristics of the key physico-chemical parameters; as size and surface functionalities, of a well-chosen list of silver and gold NPs, the uptake, and dependent biological effects of different complexity (mortality, behavioural effects, physiological effects, transcriptomic effects, etc.), on a sensitive species; Gammarus fossarum (Crustacea Amphipoda), in order to understand to which extent toxicity of nanomaterials is due to intrinsic material properties or ion leaching. Such understanding will contribute to the prediction of toxicity based on material properties rather than repetitive testing of an indefinite number of new nanomaterials. G. fossarum were exposed at low concentrations of AgNPs and AuNPs for 72h or 15 days in presence or absence of food. The obtained results showed that (i) surface coating is the main factor governing AgNPs and AuNPs uptake by G. fossarum, (ii) both released ions and NPs themselves play a role in the potency of the studied AgNPs and AuNPs and (iii) chemical composition led to different effects at the sub-individual levels (target genes expression) and different tissue distribution as AgNPs were found in G. fossarum gills while AuNPs were found in the intestinal caeca. Additionally, this work shows that Gammarus sp. are valuable models for the study of the effects of AgNPs and AuNPs

Les nanoparticules d’or (AuNPs) intriguent tout particulièrement ces dernières années de par leurs propriétés fascinantes. Elles sont variables selon la forme et la taille des nanoparticules ce qui en fait des objets ouvrant des perspectives dans plusieurs domaines. L’or est d’autant plus intéressant qu’il a une grande flexibilité de ces bandes de résonance plasmon de surface, allant du visible au proche infrarouge (IR). Au cours de cette thèse, nous avons donc travaillé sur la synthèse d’AuNPs de tailles et de formes différentes pour pouvoir travailler à de nombreuses longueurs d’onde du visible à l’IR. Cette multitude de AuNPs nous a permis d’étudier l’effet de ces différentes résonances plasmons sur des chromophores afin d’essayer de comprendre les mécanismes de ces interactions. Le but final de ces travaux, outre l’amélioration de la compréhension de ces interactions, est la réalisation de matériaux monolithiques pour l’optique par une approche sol-gel permettant l’incorporation de molécules optiquement actives et de ces systèmes plasmoniques, qui donnent des propriétés intéressantes aux matériaux obtenus. Nous nous sommes intéressés plus précisément aux propriétés d’absorption non-linéaire, dans le but de réaliser des matériaux limiteurs optiques pour protéger des systèmes optiques contre des rayonnements intenses, comme les lasers. Ces systèmes ont commencé à être mis au point dans les thèses précédentes faites au laboratoire mais la compréhension amenée par ces travaux auront permis d’approfondir les interactions particules-chromophores et le rôle de la longueur d’onde de la résonance plasmon afin d’optimiser l’efficacité en limitation optique. / Gold nanoparticles (AuNPs) particularly intrigued over the last decades because of their fascinating properties. They vary according to the size and shape of nanoparticles making objects opening opportunities in many areas. Gold is especially interesting since it has a great flexibility of these resonance surface plasmon bands ranging from the visible to near infrared (IR).In this thesis, we worked on the synthesis of AuNPs of different sizes and shapes in order to be able to work in many wavelengths from visible to IR. This multitude of AuNPs enabled us to study the effect of these different plasmon resonances of chromophores in an effort to understand the mechanisms of these interactions. The ultimate goal of this work, in addition to improving the understanding of these interactions, is the realization of monolithic materials for optics by a sol-gel approach allowing the incorporation of optically active molecules and these plasmonic systems, which give interesting properties to the obtained materials. We focused specifically on nonlinear absorption properties, in order to produce optical limiting materials to protect optical systems against intense radiation, such as lasers.These systems began to be developed in previous PhD thesis made in our laboratory but the understanding brought by this work have helped deepen the particles-chromophore interactions and the role of the wavelength of the plasmon resonance in order to optimize efficiency in optical limiting.

Comme de nombreux colloïdes, des nanoparticules métalliques recouvertes de ligands en suspension s’organisent au-delà d’une fraction volumique seuil et forment ce que l’on appelle un « supracristal ». Ce sont ainsi des systèmes modèles, déjà largement étudiés à partir de suspensions dans des solvants volatils, qui permettent de mieux comprendre l’auto-assemblage de sphères déformables. Les interactions qui conduisent à l’auto-assemblage sont couramment décrites par une compétition entre une attraction de van der Waals entre les cœurs métalliques et une répulsion entre les ligands qui va dépendre de l’affinité entre les ligands et le solvant. Un effet du solvant a déjà été observé sur l’auto-organisation de nano-objets. En mesurant par diffusion de rayons X aux petits angles le facteur de structure de suspensions de nanoparticules d’or greffées, j’ai pu sonder de façon systématique les interactions entre des nanoparticules en suspension avec plusieurs tailles de cœur, des ligands alcane-thiols de longueur différente et dans différents solvants à la fois volatils et non volatils. J’ai ainsi pu mettre en évidence une interaction attractive inattendue dans des alcanes linéaires flexibles et dont l’intensité augmente avec la longueur de l’alcane. Pour corréler les interactions entre particules à leur diagramme de phase, j’ai suivi le processus de cristallisation dans des suspensions en solvant volatil ou partiellement volatil ainsi qu’en émulsion, techniques qui permettent d’augmenter lentement la concentration en nanoparticules. Les interactions attractives induites par le solvant contribuent ainsi à la formation de supracristaux à de très faibles fractions volumiques. A de fortes concentrations, la structure des supracristaux ne dépend pas du solvant utilisé mais, à forte densité de greffage, du rapport R entre la longueur des ligands et le diamètre du cœur d’or. Pour un rapport R voisin de 0.7, la structure finale observée est cubique centrée, la structure à concentration intermédiaire étant cubique à faces centrées. Pour un rapport R deux fois plus petit, une structure originale a été mise en évidence. Il s’agit d’une structure hexagonale de grand paramètre de maille, analysée comme une phase de Frank et Kasper de type MgZn2 ou C14. C’est la première fois qu’une telle phase à empilement local tétraédrique est observée dans un système de sphères monodisperses molles. L’existence de cette phase ainsi que le rôle du rapport R a pu être interprétée en estimant quantitativement la compétition entre l’attraction de van der Waals forte et l’entropie des ligands. / As many colloids, metallic nanoparticles grafted with hydrophobic ligands self-assemble above a volume fraction threshold and thus build superlattices. These model systems, which are widely studied when suspended in volatile oils, enable a better understanding of soft spheres self-assembly.Interactions which lead to self-assembly are commonly described by the combination of van der Waals attraction with interaction between the ligand shells. The shell behavior is controlled by the ligand affinity with the solvent. An effect of the solvent on the self-assembly of nanoparticles has already been observed. Using a small angle X-ray scattering, I measured, through the structure factor, the interactions between gold nanoparticles grafted with alkanethiols in different oils, at various concentrations, for different lengths of ligands and core diameters. I noticed an attractive interaction when using flexible linear alkanes as solvent. It has also been shown that the attraction intensity increases with the solvent length.In order to correlate the interactions between particles to their phase diagram, I studied the crystallization process by concentrating nanoparticles using evaporation in capillaries or Ostwald ripening in emulsions. I showed that attractive interactions induced by the solvent lead to superlattices formation at very low volume fractions.At high concentrations, the superlattice structure depends on the ratio of the ligand length over the gold core diameter. For a ratio around 0.7, the final structure observed is body centered cubic, whereas at lower concentration, it is face centered cubic. When this ratio is halved, an unexpected structure is observed. It is a hexagonal structure with a large lattice parameter. It has been analyzed as a Frank and Kasper’s phase named MgZn2 or C14. It is the first time that this topologically close-packed structure is observed for monodisperse soft spheres. The existence of this phase and the role of the ratio R have been interpreted by considering quantitatively the competition between ligands entropy and the strong van der Waals attraction.

Les matériaux méso-structurés sont des matériaux à porosité contrôlée, issus de synthèses de chimie sol/gel entre micelles de tensioactifs et précurseur inorganique, le plus souvent de silice. Parmi ces matériaux, le SBA-15, formé en milieu super-acide à partir de P123 (un copolymère tribloc) comme tensioactif et de TEOS comme précurseur inorganique de silice, est un des plus étudiés. La synthèse de ce matériau a été étudiée par diffusion des rayons X à petits angles (SAXS) in situ, et a permis de décrire qualitativement et quantitativement les mécanismes d’auto-assemblages entre micelles de tensioactifs et particules silicatées. Spécifiquement, nos résultats ont montré que l’hydrolyse-condensation du TEOS en solution a permis la formation d’oligomères de silice, qui interagissent avec la couronne des micelles sphériques de P123, pour progressivement former des micelles hybrides cylindriques organiques/inorganiques, qui vont ensuite précipiter en une mésophase hybride 2D-hexagonale. Ce modèle de synthèse est appelé « transition sphères-cylindres ». De plus, afin de comprendre les mécanismes de formation du matériau à toutes les échelles, nous avons étudié l’influence des conditions de synthèse sur la morphologie des grains de matériau méso-structurés. En effet, nous avons montré que sans agitation pendant la synthèse, les grains de matériaux présentent une forme d’équilibre qui dépend fortement de la température de synthèse. En fonction de la température, il est donc possible de former des matériaux hybrides de forme grains de riz, bâtons (courts ou longs) ou mêmes sous forme de tores. Nous proposons un modèle théorique qui permet d’expliquer l’ensemble des morphologies observées, en fonction des tensions de surfaces et des énergies de courbures de cristal-liquide 2D-hexagonal lors de la précipitation de la mésophase hybride. Nous appuyons ce modèle théorique sur des études en diffusion des rayons X à très petits angles (USAXS), qui permettent d’étudier la croissance des grains. Grâce à ces études, nous proposons une description très complète de la formation du matériau SBA-15. Fort de ces connaissances, nous avons pu, grâce à de nouvelles études de SAXS in situ, appliquer le modèle de précipitation de type « transition sphères-cylindres » à d’autres matériaux, issus de tensioactifs non-ioniques fluorés, et ainsi expliquer la formation de matériaux dits « bimodaux », c’est-à-dire issus d’un mélange entre P123 et un tensioactif fluoré(Rf₈(EO)₉ et qui présentent deux ordres poreux bien définis. Enfin, nous avons cherché à utiliser nos connaissances pour la fabrication de matériaux innovants, en remplaçant la solution micellaire par des émulsions dopées en nanoparticules d’or (NPs), afin de fabriquer des matériaux hybrides dopés en NPs. / Meso-structured materials are materials with a well-controlled porosity, designed from sol/gel syntheses between surfactant micelles and an inorganic precursor, most often a silica precursor. Among them, the SBA-15 material, formed in super-acid solution from P123 (a tri-block copolymer) as surfactant and TEOS a silica precursor, is one of the most studied. Synthesis of this material has been studied by in situ Small Angle X-Ray Scattering (SAXS), which allowed to describe both qualitatively and quantitatively the self-assembly mechanisms between surfactant micelles and silica particles. In details, our results showed that TEOS hydrolysis-condensation allow the formation of silica oligomers that interact with the corona of the spherical micelles of P123, and progressively the micelles reshape in hybrid organic/inorganic cylindrical micelles. The hybrid micelles, first free in solution, eventually precipitate in a hybrid 2D-hexagonal mesophase. This model of synthesis is called “sphere-to-rod transition”. Moreover, in order to understand the material mechanisms of formation at every length scales, we studied the influence of the synthesis conditions on the morphology of the meso-structured material grains. Indeed, in agreement with a previous study, our results show that if the synthesis is made without stirring, the material grains has an equilibrium shape that strongly depends on the synthesis temperature. By changing the temperature, one can form hybrid materials with a “rice grain” shape, or a (short or long) rod shape, or even a torus shape. We propose a theoretical model to explain all the observed morphologies, model that takes into account surface tensions and curvature energy of the newly formed 2D-hexagonal liquid-crystal at the precipitation of the hybrid mesophase. We measured the nucleation and growth of the grains by Ultra Small Angle X-Ray Scattering (USAXS). Thanks to all these studies, we present a complete description of the formation of the SBA-15 material. Our knowledge were used to describe new in situ SAXS measurements of new materials: our “sphere-to-rod transition” model was able to describe the formation of two materials, form two fluorinated surfactants and allowed to explain the formation of a “bimodal” material, which means a material with two well-defined porous order, that is synthesized from a mix of two surfactant (P123 and (Rf₈(EO)₉). Finally, we tried to use our knowledge to form innovative materials, by replacing the micellar solution as template by an emulsion doped in gold nanoparticles (NPs) to form hybrid materials doped in NPs.

Le projet de ma thèse a consisté en la mise au point de biomatériaux capables d'agir en tant que capteurs moléculaires pour la construction de biocapteurs d'affinité tels que des immunocapteurs, aptacapteurs et capteurs d'ADN, basés sur la lecture électrochimique. Les biocapteurs électrochimiques deviennent une technique intéressante pour l'identification des biomolécules en raison de possibilités de miniaturisation, de faible coût et de la lecture directe des signaux électriques. Toutefois, le choix d'un transducteur, qui permet d'obtenir un signal électrochimique, est crucial dans la construction du biocapteur. Au cours de ma thèse, j'ai eu l'occasion de comparer l'efficacité de différents matériaux conductrices tels que les conducteurs polymères (polypyrrole), les nanotubes de carbone et des nanoparticules d'or. Pour obtenir une réponse électrochimique intense, j'ai associé ces plateformes avec un marqueur redox-ferrocène. Les biocapteurs ont été basés sur la détection directe, généralement avec un «signal off» (diminution de la réponse électrochimique lors de la détection). J'ai travaillé sur différents types de reconnaissance biologique comme anticorps/antigène, aptamer/protéine, sonde ADN/ADN cible. Ces biocapteurs sont particulièrement intéressants dans le domaine de la biologie et de la santé publique. Au début je me suis intéressée à la nouvelle protéine impliquée dans le virus de la grippe et démontrée son évolution dans le cycle viral avec l'objectif de développer de nouveaux médicaments pour cette maladie ainsi que de nouveaux outils de détection. J'ai construit ces biocapteurs basés sur polymère conductrice-polypyrrole associé avec le marqueur redox, ferrocène pour l'immobilisation des anticorps spécifique pour les protéines impliquées dans le virus de la grippe. De nouveaux biorécepteurs - aptamères et des techniques électrochimiques ont été ensuite développés pour concevoir un système sensible capable de détecter la protéine prion cellulaire au niveau pM dans les échantillons de plasma humaine. Les aptamères sont associés sur la plateforme composée de nanotubes de carbone, conjuguées avec des dendrimères poly(amidoamine) PAMAM. Les composites combinent les performances électriques de nanotubes mais permet simultanément l'attachement de nombreux biomolécules, en raison des nombreux groupes amines portant par des dendrimères. Puis j'étais aussi intéressé par la détection de l'ADN par le développement de biocapteurs à base de nanotubes de carbone pour deux maladies infectieuses telles que l'hépatite C avec des cibles d'ADN synthétiques et l'ADN de M. tuberculosis provenant d'échantillons PCR. Ces exemples ont été utilisés pour démontrer que le capteur d'ADN pourrait être généralisé à toutes les maladies infectieuses et utilisé dans le système «point of care». Des études précédentes ont consisté dans le dépôt de nanotubes de carbone sur la surface par adsorption et j'ai trouvé que c'était problématique en termes de reproductibilité. Alors, j'ai utilisé polypyrrole comme une matrice pour l'association des nanotubes de carbone. Cette méthode semble être la plus efficace et a permis de combiner les propriétés des nanotubes avec celles de polypyrrole conducteurs. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que les capteurs électrochimiques d'affinité à base de polymères conducteurs et les nanomatériaux peuvent être appliqués dans différents domaines concernant les problèmes de santé. Ces biocapteurs sont prêts pour être intégrés dans les microsystèmes ainsi que dans les systèmes «point of care». / The project of my thesis consisted on the development of biomaterials that are able to act as molecular transducers for the construction of affinity biosensors such as immunosensors, aptasensors and DNA sensors, based on electrochemical reading. Electrochemical biosensors become an attractive technique for the identification of biomolecules due to miniaturization possibilities, low cost and direct lecture of electric signals. However the choice of a transducer, which allows obtaining electrochemical signal, is crucial in biosensor construction. During my thesis I had the opportunity to compare the efficacy of different conducting materials such as conducting polymers (polypyrrole), carbon nanotubes. To obtain an intense electrochemical response, I associated these platforms with a redox marker – ferrocene. The biosensors which I constructed were based on direct detection, usually with “signal off” (decrease in electrochemical response during detection). I worked on different types of biological recognition such as antibody/antigen, aptamer/protein, DNA probe/DNA target. These biosensors are especially attractive in the biological field and public health. First, I was interested in the new protein involved in Influenza virus and demonstrated its evolution in viral cycle with the objective to develop new drugs for this disease as well as new tools for detection. I constructed biosensors based on conducting polypyrrole which was studied extensively in our group. I used this polypyrrole matrix associated with redox marker, ferrocene for immobilization of antibody specific for protein involved in Influenza virus. By this approach I demonstrate that electrochemical biosensors can become effective tools in the daily laboratory work, especially useful for biologists who are often limited by commercially available methods. Then new bioreceptors - aptamers and electrochemical techniques have been developed to design a sensitive system able to detect cellular prion protein at pM level in plasma samples. Aptamers were associated on the platform composed of polypyrrole or carbon nanotubes conjugated with dendrimers poly(amidoamine) PAMAM. Composite combines the high electrical performance of transducers but simultaneously allows attachment of high number of biomolecules, due to numerous amine groups bearing by dendrimers. I was also interested in DNA detection and in the development of biosensors based on carbon nanotubes for two infectious diseases like hepatitis C with synthetic DNA targets and M. tuberculosis DNA from PCR samples. Such examples were used to demonstrate that DNA sensor could be generalised to all infectious diseases and used in point-of-care system. My previous studies consisted on the deposition of carbon nanotubes on the surface by adsorption and I found that it was problematic in terms of reproducibility, so important in biosensor construction. I used polypyrrole as a matrix for carbon nanotubes association. This method seems to be effective and allowed combination of nanotubes properties with those of conducting polypyrrole. During my thesis I demonstrated that electrochemical affinity sensors based on conducting polymers and nanomaterials can be applied in different fields concerning health problems. These biosensors are ready for integration in microsystems for application as analytical tools as well as in point-of-care systems.

L’objectif de ce travail de thèse a été de développer l’ingénierie des polymères liquides ioniques(PILs) de type imidazolium ainsi qu’une nouvelle famille de copolymères à blocs apparentés.Des PILs type imidazolium ont été utilisés en tant que polymères réactifs pour la catalyse organique etla modification chimique par post-polymérisation. Divers composés (homopolymères, copolymèresstatistiques de type styrénique, polymères réticulés) stables à l'air, portant divers contre-anions (bromures,hydrogénocarbonates, carboxylates), ont été spécialement conçus via des stratégies de synthèserelativement simples. La génération de carbènes N-hétérocycliques supportés sur polymères (poly(NHC)s)a permis de comparer les performances catalytiques de tous ces précurseurs à travers des réactions deréférence de la catalyse organique. Spécifiquement, les copolymères statistiques type styrénique peuventégalement être fonctionnalisés de manière stoechiométrique par post-polymérisation avec différentssubstrats électrophiles (e.g. CS2, isothiocyanate, métaux de transition).Une nouvelle famille de copolymère à blocs contenant un bloc poly(acétate de vinyle) et un bloc detype poly(bromure de N-vinyl-3-alkylimidazolium), a été synthétisé par CMRP. La capacité de cescomposés à s'auto-assembler en diverses mésostructures en masse comme en solution a ensuite étédémontrée. Des mesures de conductivité ionique ont montré l’influence de la préparation des échantillonset des conditions de mesures sur les valeurs obtenues. Le comportement en solution par la réactivité ioniquedu bloc PIL et la modification chimique du bloc hydrophobe poly(acétate de vinyle) en hydrophilepoly(alcool vinylique) ont permis la formation de différentes nanostructures micellaires.Mots clés : Polymères liquides ioniques, Copolymères à blocs, Imidazolium, catalyse organique,Modification post-polymérisation, Auto-assemblage, Conductivité ionique, nanoparticules d’or. / The aim of this PhD work is to expand the scope of engineered imidazolium-based poly(ionicliquid)s (PILs) and their related PIL-block copolymers (PIL BCPs).The use of the imidazolium-based PILs as true reactive polymers for organocatalysis and post-chemicalmodification is first described. Miscellaneous air-stable PIL derivatives featuring various counter-anions(e.g. bromides, hydrogen carbonates, carboxylates), including homopolymers, statistical copolymers ofstyrenic-type and crosslinked copolymer networks have been specifically designed by relatively simplesynthetic strategies. The generation of related polymer-supported N-heterocyclic carbenes, poly(NHC)s,enables comparing the catalytic performances in selected organocatalyzed reactions. Specific polystyrenebasedcoPILs can be also stoichiometrically derivatized by post-chemical modification using variouselectrophilic substrates (e.g. CS2, isothiocyanate, transition metals).A novel family of imidazolium-based PIL BCPs, namely poly(vinyl acetate)-b-poly(N-vinyl-3-alkylimidazolium bromide)s synthesized by CMRP, is then described. The ability of these compounds toself-assemble into various types of mesostructures in bulk or in solution has been demonstrated. Ionicconductivity measurements evidenced the influence of sample preparation and measurement conditions.The behavior in solution evidenced via the ionic responsiveness of the PIL block but also by post-chemicalmodification of the hydrophobic poly(vinyl acetate) block into hydrophilic poly(vinyl alcohol) theformation of various micelle-like nanostructures.Keywords: Poly(ionic liquid)s, Block copolymers, Imidazolium, Organocatalysis, Post-polymerizationmodification, Self-assembly, Ionic conductivity, Gold nanoparticles / El objetivo de esta tesis fue el desarrollo de polímeros de ingeniería iónicoslíquidos (pils) y tipo imidazolio una nueva familia de copolímeros de bloques relacionados.Lager tipo imidazolio fueron utilizados como reactivos para la catálisis orgánica ymodificación química de polímeros después de la polimerización. Varios compuestos(homopolímeros, copolímeros aleatorios de tipo estireno, polímeros reticulados) estable en elaire, contra de la realización diversos aniones (bromuros, bicarbonatos, carboxilatos), hansido especialmente diseñadas utilizando estrategias de síntesis relativamente simple. Se utilizóla generación de carbenos N-heterocíclicos soportado sobre polímeros (poli (NHC) s) paracomparar el rendimiento catalítico de estos precursores de referencia a través de reacciones decatálisis orgánica. Específicamente, los copolímeros de tipo estireno también se puedenfuncionalizar sustratos por polimerización posterior estequiométricamente con diferenteselectrófilos (por ejemplo, metales CS2, isotiocianato, de transición).Una nueva familia de copolímero de bloque que contiene un poli (acetato de vinilo) y unbloque de poli (bromuro de N-vinil-3-alquilimidazolio) se sintetizó en CMRP. La capacidadde estos compuestos a auto-ensamblan en varias mesoestructuras como entonces se demostrósolución en masa. Mediciones de conductividad iónica han demostrado la influencia de lascondiciones de preparación y medición de la muestra en los valores obtenidos. Elcomportamiento en solución por el bloque PIL reactividad de iones, y la modificaciónquímica del bloque hidrófobo de poli (acetato de vinilo) hidrófilo poli (alcohol vinílico)permitió la formación de nanoestructuras diferentes micelares.Palabras clave: polímeros líquidos iónicos, copolímeros de bloque, imidazolio, catálisisorgánica, Cambiar post-polimerización, auto-ensamblaje, conductividad iónica, lasnanopartículas de oro.

L’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) a fixé en 1998 la concentration maximale en arsenic dans l’eau de consommation à 10 ppb (μg/L). Dans le monde, plus de 100 millions de personnes sont exposées à des concentrations supérieures à 50 ppb. La toxicité, l’omniprésence et la mobilité de l’arsenic entraînent la nécessité de pouvoir le doser immédiatement sur le terrain. Il existe actuellement deux méthodes de dosage de terrain commercialisées. La première, onéreuse, est basée sur la voltammétrie (> 7000 €). La seconde à environ 2 €/analyse se présente sous le format de bandelette. Elle permet la mesure de teneurs en arsenic avoisinant les 10 ppb, mais nécessite la génération d’arsine (forme la plus toxique), l’utilisation de bromure de mercure et donne jusqu’à 33% de faux positifs. L’entreprise Novassay souhaite développer une nouvelle méthode de dosage de l’arsenic simple, rapide et efficace pouvant être utilisée directement sur le terrain. Ce travail présente dans un premier temps, un nouveau protocole issu d’une optimisation de la méthode dite au bleu de molybdène et de l’utilisation d’une membrane filtrante permettant une lecture colorimétrique sur support solide. Dans un deuxième temps, seront présentés les résultats obtenus sur le développement d’une méthode de dosage inédite de l’arsenic par l’intermédiaire de nanoparticules d’or. Dans cette partie, une molécule imaginée à partir de la structure d'un complexant naturel de l’arsenic sera synthétisée. Les tests de dosage de l’arsenic avec cette molécule seront réalisés sur deux types de nanoparticules d’or, les premières stabilisées au citrate, les secondes stabilisées au xylane. / In 1998, the World Health Organization (WHO) set the maximum concentration of arsenic in drinking water at 10 ppb (μg/L). In the world, more than 100 million people are exposed to concentrations upper than 50 ppb. The toxicity, ubiquity and mobility of arsenic imply the need to be able to dose it immediately on the field. There are currently two commercially available field dosing methods. The first, expensive, is based on voltammetry (> €7000). The second at about €2/analysis is available in the strip format. It allows the measurement of arsenic concentrations close to 10 ppb but requires the generation of arsine (the most toxic form of arsenic), the use of mercury bromide and gives up to 33% false positives. Novassay wants to develop a new simple, fast and efficient arsenic method that can be used directly in the field. Firstly, this work shows a new protocol resulting from an optimization of the molybdenum blue method and the use of a filtering membrane allowing a colorimetric reading on a solid support. In the second part of this work, the results obtained on the development of a novel method of dosing arsenic by the utilisation of gold nanoparticles will be presented. In this part, an imagined molecule from the structure of a natural complexant of arsenic will be synthesized. The arsenic assay with this molecule will be performed on two types of gold nanoparticles, the first stabilized with citrate, the second stabilized with xylan.

Des nanoparticules d’or dispersées dans un carbone mésoporeux CMK-n (n = 1,3 et 8) ont été obtenues par une méthode originale qui consiste à répliquer des silices mésoporeuses dans lesquelles les particules d’or ont été préalablement formées. La taille des particules d’or est plus petite lorsque la surface de la silice est fonctionnalisée par un thiol (MPTMS) (dAu ~ 2 nm) que par un ammonium (TPTAC) (dAu ~ 6 nm). La taille des particules d’or dans les répliques peut être contrôlée à la fois par la température de calcination du moule et par la température de pyrolyse de la source de carbone. Bien que les répliques carbonées soient beaucoup mieux dispersées dans le milieu réactionnel apolaire que les moules siliciques correspondants, elles sont moins actives dans les oxydations aérobies du cyclohexène et du trans-stilbène en phase liquide. Les meilleures performances dans l'oxydation de ces deux molécules ont été obtenues sur les répliques pyrolysées à 750°C et contenant des particules d’or de taille moyenne d'environ 2 nm. Les très petites particules sont moins actives, probablement parce qu'elles sont complètement enrobées par du carbone, donc inaccessibles. Les performances catalytiques de nos répliques ont été comparées avec celles d'un catalyseur Au/CMK-3 préparé par dépôt colloïdal sur un carbone mésoporeux pré-formé. Les résultats montrent que nos catalyseurs sont beaucoup moins actifs que celui préparé par dépôt colloïdal, car la majorité des particules dans nos répliques sont recouvertes par du carbone. L'inaccessibilité des particules aux gaz a été confirmée par une mesure de chimisorption d’hydrogène sur un catalyseur Pt/CMK-3 préparé par une méthode identique. / Highly dispersed gold nanoparticles in ordered mesoporous carbons CMK-3 have been obtained by an original method which consists in replicating mesoporous SBA-15 silicas containing gold nanoparticles. The gold particle size is smaller when the silica surface is functionalized with a thiol (mercaptopropyl graft, MPTMS) (dAu ~ 2 nm) than with an ammonium (TPTAC) (dAu ~ 6 nm). The gold particle size in replicas can be controlled by both the calcination temperature of the silica template and the pyrolysis temperature of the carbon source. Although the carbon replicas are much better dispersed in non polar solvents than the corresponding silica templates, they are less active in the aerobic oxidations of cyclohexene and trans-stilbene in the liquid phase. The best performances in the oxidation of these two molecules have been obtained on replicas pyrolysed at 750°C and containing gold particles with an average size of about 2 nm. The very small particles are unexpectedly less active probably because they are completely coated by carbon, and thus inaccessible. The catalytic performances of our replicas have been compared with those of a Au/CMK-3 catalyst prepared by colloidal deposition onto a preformed mesoporous carbon replica. The results show that our catalysts are much less active than that prepared by colloidal deposition because the majority of particles in our replicas are covered by carbon. The inaccessibility of particles to gases has been confirmed by hydrogen chemisorption on a Pt/CMK-3 catalyst prepared by an identical method.

Les propriétés inattendues des nanoparticules d'or font que le contrôle de leur taille, de leur forme et/ou de leur morphologie devient essentiel pour une application ciblée. Des formes variées de nanoparticules en solution colloïdale ont été synthétisées. L'analyse de ces solutions par spectroscopie UV-Visible montre que les nanoparticules anisotropes ont deux bandes plasmoniques. Aussi, le potentiel zêta mesuré révèle que les solutions sont stables dans les conditions d'étude. La caractérisation par la microscopie électronique en transmission a permis d'observer que leur surface présente différentes orientations cristallographiques. Le dépôt sous potentiel du plomb par voltammétrie cyclique a révélé les sites cristallographiques à la surface de ces nanomatériaux. Ces matériaux présentent des proportions de surface orientée (111), (110) et (100) et de défauts cristallins en accord avec les résultats de microscopie. L'étude électrochimique dans l'électrolyte support montre que la formation des oxydes sur ces nanomatériaux dépend de leur structure. La cinétique de croissance des couches d’oxyde sur les nanobâtonnets d’or dépend fortement du potentiel, du temps de polarisation et de la température. Des différentes formes structurales des nanomatériaux d'or synthétisés et en présence de molécules modèles telles que le glucose et l'acide formique, les nanosphères présentent l'activité la plus forte pour l'oxydation du glucose ; tous les nanomatériaux sont moins actifs pour l'oxydation de l'acide formique. Les analyses par FTIR in situ mettent en évidence la gluconolactone comme intermédiaire de cette réaction et la forte influence de la structure de surface. / Due to the unusual properties of gold nanoparticles, the control of their size, their shape and/or their morphology for a well-targeted application becomes essential. Various shape controlled particles in colloidal solutions were synthesized. The analysis of such solution by UV-visible spectroscopy shows that the anisotropic particles exhibit two surface plasmon resonance bands. In addition, the zeta potential measurements reveal that such solutions are stable in the experimental conditions. It is clearly observed by the transmission electron microscopy characterization of these nanomaterials that their surface has different crystallographic orientations. The under potential deposition (upd) of lead by cyclic voltammetry revealed the surface crystallographic sites which present different ratio of orientated surface (111), (110), (100) and defaults confirming the microscopy results. The cyclic voltammetry in supporting electrolyte shows that the oxides formation on these nanomaterials depends strongly on their structure. On gold nanorods, an extensive study of the kinetic of the oxide layers growth shows that this process is affected by the polarization potential and time as well as temperature. The nanospheres exhibited high activity toward the glucose oxidation, while all the synthesized nanomaterials presented low activity toward the formic acid oxidation. Gluconolactone appears as the main intermediate species during the oxidation of glucose which is a surface structure dependent process.