Depuis plusieurs années, les nanotubes de carbones (NTCs) présentent un important potentiel dans le secteur des applications biomédicales (imagerie médicale, vectorisation de médicaments, etc.). Toutes ces applications impliquent des modifications au niveau de la paroi des NTCs par le biais de fonctionnalisations chimiques afin de pouvoir y greffer des molécules d’intérêt. Il existe deux principales voies de fonctionnalisation impliquant différents types d’interactions et des changements plus ou moins conséquents au niveau des NTCs. D’une part, la fonctionnalisation covalente, la plus largement utilisée, conduit à la formation de liaisons covalentes stables mais modifie en même temps la structure et donc les propriétés intrinsèques des NTCs. D’autre part, les NTCs peuvent être fonctionnalisés de manière non-covalente, c’est-à-dire par le biais d’interactions faibles (interactions hydrophobes, π- π stacking, interactions ioniques, etc.), ce qui n’affecte pas la structure des NTCs. Les objectifs de cette thèse ont été, dans un premier temps, de déterminer le meilleur processus de purification des nanotubes de carbone biparois (DWNTs) synthétisés par CCVD au CIRIMAT afin d’en éliminer toutes traces de nanoparticules métalliques mais surtout d'espèces carbonées indésirables (carbone désorganisé), le but étant de partir d’un échantillon oxydé le plus pur possible et dans lequel le carbone n'est présent que sous forme de NTCs. Ainsi, toute éventuelle compétition entre les différentes espèces carbonées, pouvant rendre impossible toute conclusion claire, est évitée. Les DWNTs ont été choisis comme structure idéale pour représenter à la fois les NTCs mono-paroi (morphologie similaire) et les NTCs multi-parois de manière générale. Les protocoles de fonctionnalisations covalente et non-covalente des DWNTs purifiés ont été mis au point dans un deuxième temps. Le choix des molécules d’intérêt à greffer s’est porté principalement sur des fluorophores (isothiocyanate de fluorescéine FITC ; Cy5 ; une streptocyanine uniquement fluorescente par liaison covalente), permettant ainsi une visualisation directe de la fonctionnalisation. La détermination des taux de greffage, réalisée grâce à différentes techniques de caractérisation, a soulevé les questions de la stabilité dans le temps de la fonctionnalisation non-covalente et de la quantité réellement greffée de façon covalente sur les NTCs lorsque cette voie est choisie. Enfin, les DWNTs ainsi fonctionnalisés ont été par la suite incubés en présence de plusieurs types de cellules afin de tester leur détection in vitro et la stabilité de la fonctionnalisation dans ce type d'environnement. La co-localisation des DWNTs fluorescents au niveau des cellules a été rendue possible par le croisement des résultats obtenus par les microscopies confocales de fluorescence et Raman. / For many years now, carbon nanotubes (CNTs) show an important potential for biomedical applications (medical imaging, targeted drug delivery, tissue engineering, cancer treatment). All these applications involve modifications of the CNTs walls, through chemical functionalisation, in order to make possible the attachment of molecules of interest. There are two main approaches for functionalisation, involving different interactions and more or less substantial changes in CNTs. On the one hand, the most widely used is the covalent functionalisation that leads to stable covalent bonds but also modifies the structure and thus the inherent properties of CNTs. On the other hand, CNTs can be functionalised by a non-covalent way, that is, through weak interactions (hydrophobic interactions, π- π stacking, ionic interactions, etc.), which do not affect the structure of CNTs. The goals of this thesis were, in a first phase, to determine the best purification strategy for double-walled carbon nanotubes (DWNTs), synthesized by a Catalytic Chemical Vapour Deposition process developed at the CIRIMAT, in order to remove all traces of metal nanoparticles but especially of unwanted carbonaceous species (disorganised carbon); the aim was to start from the cleanest oxidised sample in which CNTs are the only form of carbon, in order to avoid any competition between different carbon species, making then impossible to get a clear conclusion. DWNTs were selected as an ideal structure which would represent both single-walled CNTs (similar morphology) and multi-walled CNTs in general. The protocols of covalent and non-covalent functionalisations of purified DWNTs were developed in a second stage. The choice of the molecules of interest to graft mainly fell on fluorophores (fluorescein isothiocyanate FITC; Cy5; a streptocyanine only fluorescent when it is covalently attached), thus allowing a direct observation of the functionalisation. Grafting ratios could be determined thanks to the combination of several characterisation techniques, which raised some questions on the stability with time of the non-covalent functionalisation, and on what is really covalently grafted on the CNTs when this way is chosen. Finally, such functionalised DWNTs were incubated with several types of cells to test their in vitro detection and the functionalisation stability in this kind of environment. Co-localisation of fluorescent DWNTs in the cells was achieved by comparison of the results obtained from confocal fluorescence and confocal Raman microscopies.

Depuis leur découverte en 1991 par S.Iijima, les nanotubes de carbone sont étudiés pour leurs différentes propriétés mécaniques et électroniques. C'est précisément dans le domaine de l'électronique qu'ils sont particulièrement investigués. En effet, ils offrent des propriétés de conduction électrique supérieure au cuivre pour la micro et la nanoélectronique. C'est dans le but de les utiliser en tant que tels que nous avons réalisé cette étude laquelle consiste à utiliser les nanotubes de carbone comme conducteurs électriques. En vue de leur intégration dans des systèmes électroniques complexes, nous devrons nous assurer que les voies envisagées sont compatibles avec les composants qui peuvent être présents sur le substrat. Pour ce faire, nous tenterons de réaliser une croissance localisée de nanotubes de carbone, à la température la plus basse possible ; toutefois un autre moyen de procéder consisterait en la manipulation post-synthèse des nanotubes de carbone. Ce sont là les deux voies envisagées que nous expérimenterons au cours cette étude.

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).