Le comportement mécanique de matériaux granulaires est intrinsèquement lié aux propriétés individuelles des grains constitutifs ainsi qu’à leur assemblage (texture, distribution des vides, contact entre grains…). Soumis à un chargement extérieur, cet assemblage se déforme incluant le déplacement relatif entre les particules mais également la déformation propre des grains jusqu’à leur rupture si elle se produit. Pour étudier la rupture d'une seule particule, des études expérimentales et numériques ont été réalisées. Quatre particules sphériques formées de billes d’argile expansée légère ont été testées en compression à déplacement contrôlé jusqu’à la rupture (essai brésilien). Des photos ont été prises avec une fréquence d’acquisition de 4 images par seconde pour suivre la déformation des grains durant l’essai. La structure interne d'une particule a une influence significative sur l'initiation de la fissure. Pour approfondir cet effet, une micro-tomographie par rayons X a été utilisé pour scanner une particule afin d'obtenir la structure géométrique réelle en 3D. Ensuite, un modèle numérique 3D basé sur la géométrie des particules incluant la porosité interne a été construit avec Abaqus pour les mêmes conditions de chargement. Une comparaison des résultats des tests de laboratoire et des simulations a été faite. Sur la base des résultats, l’initiation des fissures, leur localisation dans le grain et la classification des ruptures de particules ont été établies. Afin d’étudier le rôle de l’anisotropie et en particulier de la fabrique d’un matériau granulaire soumis à un chargement externe, cinq essais de compression biaxiaux ont été réalisé sur un assemblage de grains quasi-sphériques placés dans une chambre confinée. Des photos ont été prises pendant les tests et ont été enregistrées selon une fréquence définie. Un programme écrit sous Matlab a été utilisé pour traiter les photos, obtenir le champ de déplacement et analyser les résultats. Un intérêt particulier a concerné l’orientation des contacts, le tenseur de fabrique et son évolution durant le chargement. L'impact de certains facteurs clés tels que la densité de compactage, la pression de confinement, la taille des plateaux de chargement, la taille des particules et l’épaisseur des échantillons sur la déformation des échantillons ont été étudiés. Une attention particulière s’est portée sur les grains subissant une rupture. Nous avons déterminé le nombre de contact sur ces grains et les avons reproduits, dans le modèle numérique (grain 3D) soumis à un chargement diamétral, par le biais de contraintes cinématiques / The mechanical behaviour of granular materials is deeply related to both the individual particle properties and to the assembly of grains (fabric, void distribution …). Subjected to an external loading, the assembly deforms which is not only dependent on relative grain displacements but also on the grain deformation and to grain breakage when occurring. Experimental and numerical studies of single particles were performed. Four approximately spherical particles of light expanded clay were tested to investigate the breakage phenomenon under diametric displacement-controlled compression load. Photos were taken with a frame rate of 4 images per second during the testing. Since the interior of a heterogeneous particle has significant influence on the failure initiation, an X-Ray micro tomography system was used to scan particles. Moreover, the post-processing enables us to obtain the real 3D volumetric structure. Then a 3D numerical model including pore structure was built in Abaqus for the same loading conditions. A comparison of results from laboratory tests and simulations was made. Based on the results, the crack initiation process, its location and classification of particle failures were set. For purpose of understanding the anisotropy and in particular fabric of packing of granular material when disturbed under external loading, five biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles settled in a chamber under confining pressure. During the test, photos were taken by the camera and saved to a computer at periodic intervals. Software written with Matlab codes was used to process the photos, determine the displacement field and analyse the results. Focus on contact orientation, fabric tensor and its evolution during testing were put on. Impact of some key factors such as packing density, confining pressure, sizes of the covers, sizes of the particles and thickness of samples on the packing characteristic were analysed. In order to understand mechanical behaviour and kinematic of multiple particles under external load considering particle breakage, six biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles. Photos were taken to record the location of each particle during the tests. Software written with of Matlab codes was used to process the photos and trace the displacement of all particles in order to analyze kinematical behaviour of the particles. A particular attention was payed to given particles subjected grain breakage within the assembly. Their contacts and relative displacements were introduced in the numerical model of single grain breakage and conclusions were derived

Administration par voie orale.L’insulinothérapie permet aux diabétiques de réguler leur glycémie. La thèse s’inscrit dans le projet ORAIL Bis qui vise à développer un système d’administration orale d’insuline basé sur la double encapsulation de l’insuline. Le vecteur développé est composé d’une gélule contenant des particules (NP) d’insuline formulées à partir de chitosane (CS) par coacervation complexe ou d’acide (lactique-co-glycolique) (PLGA) par double émulsion. Les objectifs de la thèse sont de stabiliser les NP de chitosane par réticulation et lyophilisation, augmenter la biodisponibilité des NP de PLGA par mucoadhésion, les transposer à l’échelle industrielle. Les résultats ont montré que la combinaison des deux approches permet de réduire la taille des NP de CS, de maintenir une charge positive, de leur conférer une stabilité et une bioefficacité. La mucoadhésion n’a pas permis d’augmenter la biodisponibilité des NP de PLGA. Une charge négative permet d’améliorer leur efficacité biologique et sont transposable à échelle industrielle. L’encapsulation de ces NP dans une gélule a permis de valider in vivo le concept de double encapsulation de l’insuline. / Insulinotherapy helps diabetics to regulate their glycaemia. This thesis is part of the ORAIL Bis project which aims to develop an oral insulin delivery system based on the double encapsulation of insulin. The developed vector is composed of a capsule containing insulin loaded particles (NPs) formulated with chitosan (CS) by complex coacervation or poly (lactic-co-glycolic) acid (PLGA) by double emulsion solvent evaporation. The objectives of the thesis are to stabilize chitosan NPs by crosslinking and freeze-drying, increase the bioavailability of NPs PLGA by mucoadhesion and transpose them to the industrial scale. Results showed that the combination of both strategies reduces the size of CS NPs, maintain a positive charge, give them stability and bioefficacy. Mucoadhesion failed to increase the bioavailability of PLGA NPs. A negative charge allows to improve their biological efficacy and are transposed to industrial scale. The encapsulation of these NPs in an alginate capsule allowed to validate in vivo the concept of double encapsulation of insulin.

L’aviation émet de grandes quantités de gaz et de particules dans l’atmosphère contribuant, d’une part, à la détérioration de la qualité de l’air à une échelle locale et d’autre part, au forçage radiatif atmosphérique et donc au changement climatique. Une voie envisagée pour limiter l’impact de l’aviation est l’utilisation de carburants alternatifs. Les biocarburants sélectionnés dans cette optique tendent à avoir des teneurs en soufre et en composés aromatiques réduites, ce qui induit une diminution de la quantité d’acide sulfurique formé dans les panaches d’avions ainsi que des suies émises. La modification de la nature et de la composition des carburants utilisés peut entraîner des conséquences inattendues. Il s’avère alors essentiel d’étudier et de déterminer l’évolution des aérosols dans les panaches d’avions. Pour cela, un modèle microphysique précédemment testé lors de la combustion de kérosène classique a été utilisé et amélioré. Après avoir déterminé les émissions « types » des carburants alternatifs, des simulations ont été menées afin de prédire l’évolution et le comportement des aérosols. Plusieurs processus ont nécessité des révisions tels que la congélation homogène ou encore le comportement des composés organiques. / Aircraft emit important amounts of particulate and gaseous matter in the atmosphere contributing on the one hand to local air pollution and on the other hand to the atmospheric radiative forcing and to climate change. Introducing alternative fuels in aviation can be considered as a viable option to reducing the impact of aviation, being economically and environmentally sustainable. These selected biofuels tend to have lower aromatic and sulphur contents inducing a simultaneous reduction in sulphuric acid and soot emissions. However modifying the nature and composition of the fuel used can entail unexpected consequences. It is therefore essential to study and determine the evolution of aerosols in the aircraft plume. To manage this task, a microphysical trajectory box, previously tested with standard kerosene, has been developed. After an assessment concerning the typical emissions from the combustion of biofuels in aviation, simulations have been undertaken in order to predict aerosol evolution. Several microphysical processes have been revised such as droplet homogeneous freezing or the behaviour of organic compounds.

Le processus d'aluminisation dans les sols acides, conduit à la formation de minéraux argileux hydroxy-alumineux (HIMs). La fixation d'aluminium dans l'espace interfoliaire diminue la réactivité des feuillets expansibles (feuillets HI). La caractérisation des HIMs issus d'un Alocrisol a été réalisée par modélisation des diffractogrammes de rayons X (raies 00l) de la fraction <2 µm et de ses sous-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 et 0.2-2 µm). Cette étude a montré que les HIMs sont des minéraux interstratifiés à deux ou trois types de feuillets (HI, illites et/ou expansibles). La proportion relative de feuillets HI par rapport à celle des feuillets expansibles diminue avec la taille des particules. La persistance de feuillets illitiques a été observée dans la fraction fine (<0.05 µm). Afin de tester l’effet de la taille des particules sur l'aluminisation, des expériences d'auto-aluminisation de vermiculites saturées K ou Ca séparées en trois fractions (0.1-0.2, 1 2 et 10-20 µm) ont été tentées. Toutes montrent l'importance du couple taille-cation interfoliaire sur le contrôle de l'échange et de la dissolution qui sont les processus de premier ordre pour l'aluminisation. C'est dans les expériences mettant en jeu les K vermiculites que la compétition entre ces deux processus conduit à la formation de minéraux interstratifiés aluminisés à trois composantes similaires à ceux identifiés dans les sols. L'effet de la taille des particules se marque par la persistance de feuillets illitiques comme cela avait été observé dans les fractions infra-micrométriques des sols. La compétition entre échange et dissolution sont donc très probablement le moteur des évolutions minérales dans les sols. / The aluminization process of clay minerals in acidic soils, leads to the formation of hydroxyl interlayered minerals (HIMs). It decreases the reactivity of the clay fraction by the fixation of aluminium in the interlayer space of expandable layers (HI). The characterization of HIMs from an Alocrisol was investigated through X-Ray Diffraction profile modeling (00l reflections) of the <2 µm size fraction and its sub-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 and 0.2-2 µm). The results obtained highlight the mixed layer structure of HIMs which is composed of two or three different layers (HI, illites and/or expendables). The relative proportion of HI layers compared to that of expandable ones decreases with the particle size. In addition, the persistence of illite layers has been observed in the <0.05 µm size fraction. Auto aluminization experiments of K-or Ca- vermiculite separated in three-sized fraction (0.1-0.2, 1-2 and 10-20 µm) have been conducted in order to test the influence of the particle size on the aluminization process. These experiments exhibit the key role played both by the interlayer cation and the particle size on the cationic exchange and the crystal dissolution. The competition between of ion-exchange reactions and that of mineral dissolution on the K-vermiculite experiment, leads to the formation of 3 component MLMs (HI, illite and expandable) similar to those found in acidic soils. A similar effect of particle size leading to the persistence of illite layers was observed between the experiment products and the infra-micrometric particles of soils. Consequently, it is highly probable that both cation exchange and dissolution are the main processes governing the mineral evolutions in soils.

Le modèle standard de la physique des particules, bien qu'étant une réussite incontestable n'explique toujours pas certaines observations, ce qui pourrais indiquer la présence d'une nouvelle physique. L'expérience ATLAS cherche à mettre en évidence ces nouveaux phénomènes en analysant les collisions de protons du LHC.Le prérequis pour toute analyse est d'avoir des données de bonne qualité. La première partie de cette thèse présente donc une étude sur les bouffées de bruit cohérent présentes dans les calorimètres à argon liquide d'ATLAS. Ce bruit a été traité pour garder un haut niveau de qualité des données.La deuxième partie de cette thèse se place dans le cadre de la recherche de nouvelle physique. Une résonance est cherchée dans le spectre en masse invariante des paires de quarks top. L'étude se concentre sur le cas des quarks top boostés se désintégrant de manière électronique. Cette topologie n'ayant jusqu'à présent pas été optimisée par la collaboration ATLAS, le travail de cette thèse a consisté à définir et développer une nouvelle méthode appelée "electron-in-jet removal" permettant d'améliorer la reconstruction des quarks top dans un tel régime.Cette méthode donne accès à des électrons qui auparavant étaient rejetés. Il faut donc mesurer les facteurs correctifs à appliquer pour corriger les imperfections de la simulation de ces électrons. Des mesures préliminaires de facteurs d'échelle d'identification sur les électrons se trouvant dans un jets ont ainsi été menées. Deux méthodes sont présentées ainsi qu'une réflexion sur les perspectives à apporter à ces mesures. / The standard model of particle physics is a very predictive theory, but it still fails to explain some observations and so leads to the idea of the existence of new physics. To discover it experimentally, the ATLAS collaboration analyses the proton-proton collisions provided by the LHC.Analyses need data of good quality. Hence, the first part of this document describes a work to characterize the coherent noise bursts observed in the liquid argon calorimeters of the ATLAS experiment. Such noise has been studied and cured to ensure a high level of data quality.The second part of this thesis takes place in the context of a new physics search using top quark pairs. This study is focused on the case where boosted top quarks decay electronically. The reconstruction of top quarks in such cases was never optimized by the ATLAS collaboration. Therefore this study has lead to the definition and implementation of a new method called "electron-in-jet removal" improving significantly the top quark reconstruction in such topologies.This new method gives access to electrons that were previously removed. The correction factor applied to correct the imperfections of the simulation should then be computed for those electrons. Some preliminary measurements have been performed for the cases where the electron is within a jet. Two methods are presented as well as thoughts about future implementations.

La thèse étudie la dynamique des Electrons Découplés (DE) dans une disruption plasma déclenchée par injection massive de gaz dans le tokamak JET et simulée par le code JOREK. Cette investigation est permise par l’implémentation d’un module de suivi des particules tests relativistes dans JOREK. L’étude montre que les électrons peuvent ‘survivre’dans le chaos magnétique caractérisant la phase dite de ‘Disjonction Thermique’ (DT) de cette disruption (simulée) grâce à la reformation des surfaces magnétiques fermées. Deuxièmement, l’accélération des électrons causée par les champs électriques dus aux fluctuations magnétohydrodynamiques (MHD) pendant la DT est analysée. Cela montre que les électrons peuvent être accélérés par ces champs et devenir DE, après reconfinement, pendant la phase dite de ‘Disjonction de Courant’. Une étude préliminaire sur les dépendances entre le courant des DE et l’activité MHD dans les expériences de disruption du tokamak ASDEX Upgrade est également reportée. / In view of better understanding Runaway Electron (RE) generation processes during tokamak disruptions, this work investigates test electron dynamics during a JET disruption simulated with the JOREK code. For this purpose, a JOREK module computing relativistic test particle orbits in the simulated fields has been developed and tested. The study shows that a significant fraction of pre-disruption thermal electrons remain confined in spite of the magnetic chaos characterizing the Thermal Quench (TQ) phase. This finding, which is related to the prompt reformation of closed flux surfaces after the TQ, supports the possibility of the so-called “hot tail” RE generation mechanism. In addition, it is found that electrons may be significantly accelerated during the TQ due to the presence of strong local electric field (E) fluctuations related to magnetohydrodynamic (MHD) activity. This phenomenon, which has virtually been ignored so far, may play an important role in RE generation. In connection to this modelling work, an experimental study on ASDEX Upgrade disruptions has been performed, suggesting that strong MHD activity reduces RE production.

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Les suspensions d'objets microscopiques ayant la faculté de se déplacer par eux-mêmes dans le fluide qui les entoure sont des systèmes qui présentent un intérêt croissant dans la communauté scientifique. Du fait de leur dynamique intrinsèquement hors-équilibre au sens de la physique statistique, ils génèrent des effets particulièrement complexes. Parmi les micro-objets autopropulsés existants, les micro-algues vertes représentent une part importante de la biomasse de la Terre et participent activement au retraitement du CO2 par leur activité photosynthétique. Elles présentent de plus un remarquable potentiel dans les domaines de la production de bio-carburants, du retraitement des déchets, de la fabrication de cosmétiques et de compléments alimentaires. La compréhension de la dynamique de nage de ce type de microorganisme est d'un intérêt primordial d'un point de vue industriel. Cet ouvrage présente l'étude de la dynamique de la micro-algue Chlamydomonas Reinhardtii. En utilisant un système de suivi de particules en imagerie optique que nous avons développé, nous analysons ici le mécanisme fondamental de nage utilisé par cette algue jusqu'à ses implications en terme d'effets collectifs sur la dynamique de nage d'une suspension semi-diluée. / The suspensions of microscopic objects with the ability to propel themselves into the surrounding fluid are systems of growing interest in the scientific community. Due to their intrinsic out-of-equilibrium dynamics in the sense of statistical physics, they generate complex effects. Among the existing self-propelled micro-objects, green micro-algae are an important part of the biomass of Earth and they actively participate to the recycling of CO2 by their photosynthetic activity. Moreover they have remarkable potential for the production of bio-fuels, waste reprocessing, cosmetics and dietary supplements production. From an industrial point of view, understanding the dynamics of this type of swimming microorganism is of primary interest. This work presents the study of the dynamics of microalgae Chlamydomonas Reinhardtii. Using a system of particle tracking with optical imaging that we have developed, we analyze the mechanism of stroke used by the algae up to its implications in terms of collective effects on the dynamics of swimming in a semi-dilute suspension.

Cette thèse présente un travail expérimental dans le domaine de la mécanique des milieux granulaires.Ce travail introduit une nouveauté fondamentale: durant la déformation d’échantillonsde sable en compression triaxiale classique, leur micro-structure est enregistrée par tomographieà rayons-x en environ 15 étapes de déformation différentes.Afin que tous les grains d’un échantillon soient individuellement visibles dans les imagesde tomographie, les échantillons sont considérablement réduits pour qu’ils mesurent 11 mm endiamètre et 22 mm en hauteur. Cela permet d’identifier et d’individualiser tous les plus decinquante mille grains d’un échantillon.Dans ce travail expérimental, une série d’essais triaxiaux a été réalisée sur trois sables naturels(le sable d’Hostun, le sable d’Ottawa et des Caicos ooids, tous à partir des états initiauxrelativement denses), à deux valeurs de pression de confinement différents (100 et 300 kPa).Dans les images 3D résultantes de la reconstruction des acquisitions tomographiques réaliséesau cours de chaque essai, les grains sont identifiés dans chaque état en utilisant un algorithmede type watershed (ligne de partage des eaux) classique. À partir de ces données discrétisées,des techniques ont été mises au point pour caractériser les contacts grain-à-grain mais aussipour mesurer la cinématique de tous les grains identifiés entre les états pour lesquels des imagestridimensionnelles existent. La cinématique des grains est mesurée avec deux outils spécialementdéveloppés: “ID-Track” suit les grains et donne leurs déplacements; cette information est ensuitenécessaire pour une technique hybride de corrélation d’images discrète pour mesurer la rotationde chaque grain.Des mesures à l’échelle du grain sont présentées en détail pour un essai, et sont ensuitecomparées à des essais dans des conditions différentes. L’objectif est de mettre en évidence lesmicro-mécanismes responsables des différents comportements macroscopiques observés pour cesmatériaux. Cette comparaison met en évidence certains micro-mécanismes importants tels que,par exemple, la déformation d’un échantillon. Celle-ci est concentrée dans une bande de cisaillementbien développée qui correspond à une bande de grains avec des rotations intenses. Dans unéchantillon de grains arrondis, cette bande – définie par des grains – est très nette. Par contre,avec des grains anguleux, les rotations des grains dans la bande “polluent” les grains voisins;leur forme facilite l’engrenage entre grains, qui limite aussi les grosses rotations individuelles desgrains. Cette différence de mécanisme de déformation est utilisée pour expliquer la différencedans la contrainte résiduelle observée à macro-échelle. Des signes de déformation localisée sontsystématiquement observés en train de se produire avant le pic de déformation des échantillons etdes systèmes complexes de chaînes de rotations de grains (qui correspondent aussi à une mesurelocale de déformation calculée avec les déplacements des grains) sont remarquées autour du picde la réponse macroscopique de chaque échantillon. / This doctoral thesis presents an experimental investigation into the mechanics of granular media.The novelty that this work brings is that the specimens of sand tested in this work are systematicallyand non-destructively imaged using x-ray tomography. Sample size is considerably reducedfrom standard (specimens measure approximately 22 mm height by 11 mm diameter), allowingentire specimens to be scanned at a sufficiently high resolution to identify all the grains (morethan fifty thousand) in each specimen.A campaign of triaxial compression tests has been run on a series of three different naturalsands with different grain shapes (Hostun sand, Ottawa sand and Caicos ooids – all prepared atrelatively dense initial states), and tested at 100 or 300 kPa cell pressure. In each test around 15x-ray scans are performed. In the 3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scansperformed, grains are identified each state using a standard watershed algorithm. Starting fromthese discretised data, techniques are developed in order characterise grain-to-grain contacts,as well as to measure the kinematics of all the identified grains between imaged states. Grainkinematics are measured with two specifically-developed tools: “ID-Track” to track grains yieldingtheir displacements, and a discrete image correlation technique to measure grain rotations.Grain-scale measurements are reported in detail for one test, and are then compared to testsin different conditions, in order to highlight the micro-mechanisms responsible for the observedmacroscopic behaviour. This comparison highlights some important micro-scale mechanisms suchas the increasing rotational frustration of more angular grains when the sample’s deformation isconcentrated in a fully developed shear band; this is used to explain to some extent the highervalue of their residual stress for these materials. Signs of localised deformation are seen to occurwell before the peak in many samples, and complex patterns of rotating grains (which match alocal, grain-based measurement of strain) are noticed around the peak of each sample’s response.

Le transport routier est responsable d’une part des émissions de particules fines, notamment dans les grandes agglomérations. Celles-ci ayant des répercussions graves sur la santé humaine et l’environnement, des normes d’émissions des véhicules de plus en plus strictes sont mises en place. Des limites en nombre de particules sont imposées et une obligation de connaitre l’état de santé des organes de post-traitement des gaz d’échappement est également entrée en vigueur (On-Board Diagnostic : OBD).Les capteurs résistifs ont montré de bons résultats pour la mesure de la concentration massique des particules et ont l’avantage d’être simples à mettre en oeuvre, robustes et peu onéreux. Le principe de fonctionnement du capteur est basé sur la mesure de la conductance entre des électrodes de platine. Celle-ci augmente avec le dépôt de suies.L’objectif de ce travail de thèse est de parvenir à déterminer les paramètres clés qui affectent la réponse du capteur. Trois flux de suies présentant des distributions en taille différentes ont été sélectionnés et caractérisés. Un quatrième flux de suies a permis d’appréhender l’impact d’une concentration massique inférieure. La réponse du capteur à ces différents flux de suies a été étudiée. Nous avons montré que la sensibilité et le temps de réponse du capteur sont optimaux pour une tension de polarisation donnée entre les deux électrodes dont la valeur dépend de la distribution en taille des suies. Ce phénomène a été expliqué par les propriétés électriques différentes des suies et modélisé par un équilibre entre accumulation et combustion par effet Joule des suies déposées permettant de simuler la réponse temporelle du capteur. / Road transport contributes to a part of the particulate matter emissions, especially in big cities. Due to the negative effect of these pollutants on the human health and environment, more and more stringent emission standards for automotive are applied. These emissions are now limited in number of particles per kilometer and the vehicle need to indicate when there is some failure of the systems of depollution (OBD: On-Board diagnostic).Resistive sensors have shown good results to measure soot particles mass concentration. They have advantage of being a simple and robust technology that can be easily manufactured at a cheap price. The sensor principle consists of conductance measurement between two platinum electrodes. Conductance increases with soot deposition. This work aims to define the key parameters that affect the sensors response. Three particles flow with different particles size distributions (centered at 90, 70 and 50 nm) were used and characterized. A fourth flow was used to see the impact of a lower mass concentration. The sensor response exposed to these different flows was studied. It was shown that the sensor sensibility and response times are optimal for a given polarization voltage between the electrodes whose value depends on the size distribution. This phenomenon was explained by the different electrical properties of the soot particles and modeled by equilibrium of soot accumulation and their combustion by Joule heating that permitting to simulate the sensor temporal response.