L'assimilation de données pour les géosciences est une discipline cherchant à améliorer notre connaissance d'un système physique en se basant sur l'information issue de modèles numériques simulant ce système et sur l'information issue des mesures observant ce système. Les méthodes d'assimilation de données traditionnellement utilisées (e.g. le 4DVar ou les filtres de Kalman d'ensemble) reposent sur des hypothèses de Gaussianité des probabilités en jeu et de linéarité des modèles. Avec la complexification des modèles et des réseaux d'observations, ces hypothèses sont de plus en plus injustifiées et donc pénalisantes. Cette complexification est particulièrement forte en océanographie couplée à la biogéochimie marine.Les objectifs de cette thèse sont de mieux comprendre l'apparition des non-Gaussianités dans un problème d'estimation, d'envisager une méthode d'assimilation de données adaptée aux problèmes fortement non-Gaussiens et, dans le cadre du couplage de la dynamique océanique et de la biogéochimie marine, d'explorer la pertinence de l'utilisation de méthodes non-Gaussiennes.Dans un premier temps, une étude méthodologique est conduite. Cette étude, appuyé par des illustrations avec le modèle de Lorenz à trois variables, permet de mettre en évidence les limitations des méthodes traditionnellement utilisées, face à des problèmes non-Gaussiens. Cette étude aboutit sur le développement d'un filtre d'assimilation de données d'ensemble entièrement non-Gaussien : le Multivariate Rank Histogram Filter (MRHF).Il est montré que le MRHF est performant dans des régimes fortement non-Gaussiens (notamment dans un régime bimodal) pour un nombre de membres relativement faible.Dans un second temps, une étude numérique est conduite. Cette étude est réalisée aux travers d'expériences jumelles basées sur un modèle vertical 1D, ModECOGeL, couplant la dynamique et la biogéochimie en mer Ligure. Nous simulons différents réseaux d'observations combinant des profils in situ et des données satellites. Plusieurs méthodes d'assimilation sont alors comparées à l'aide de diagnostics d'évaluation d'ensemble avancés.Nos expériences montrent l'impact du réseau d'observations et des variables de contrôle, sur le degré de non-Gaussianité d'un problème d'estimation. Le contrôle de la partie dynamique du modèle par des observations de la dynamique à différentes fréquences est un problème quasi-Gaussien, qu'un filtre aux moindres carrés, tel l'Ensemble Transform Kalman Filter, résout bien. En revanche pour ces mêmes observations, le contrôle de la biogéochimie s'avère être un problème non-Gaussien et nécessite l'utilisation d'un filtre non-Gaussien.Enfin, il est montré que l'assimilation de la couleur de l'eau, pour le contrôle mixte de la dynamique et de la biogéochimie, est améliorée par des méthodes adaptées aux non-Gaussianités, tel l'Ensemble Kalman Filter anamorphosé. De plus, l'augmentation de la fréquence d'observation de la couleur de l'eau rend incontournable l'utilisation de filtres fondamentalement non-Gaussiens comme le MRHF. / Data assimilation for Geosciences is a discipline seeking to improve our knowledge of a physical system based on the information from numerical models simulating this system and the information from the measures observing this system. The data assimilation methods traditionally used (eg the 4DVAR or the ensemble Kalman filters) are based on assumptions of Gaussianity of the probabilities involved and linearity of the models. With the increasing complexity of models and observation networks, these assumptions are increasingly unjustified and therefore penalizing. This complexity is particularly strong in oceanography coupled with marine biogeochemistry.The objectives of this thesis are to understand the appearance of non Gaussianity in an estimation problem, to think out a data assimilation method adapted to highly non Gaussian problems and, in the coupling of ocean dynamics and marine biogeochemistry, to explore the relevance of the use of non Gaussian methods.At first, a methodological study is conducted. This study, supported by illustrations with the three variable Lorenz model, allows to highlight the limitations of traditional methods when facing non Gaussian problems. This study led to the development of a fully non Gaussian data assimilation filter : the Multivariate Rank Histogram Filter (MRHF).It is shown that the MRHF is efficient in highly non Gaussian regimes (including in a bimodal regime) for a relatively small number of members.Secondly, a numerical study is conducted. This study is conducted with twin experiments based on a 1D vertical model, ModECOGeL, coupling dynamics and biogeochemistry in the Ligurian Sea. We simulate different observation networks combining in situ profiles and satellite data. Several data assimilation methods are then compared using advanced ensemble evaluation diagnoses.Our experiments show the impact of observation networks and controled variables on the degree of non Gaussianity in an estimation problem. The control of the dynamic part of the model by observations of the dynamics at different frequencies is a quasi Gaussian problem, which a least squared filter such as the Ensemble Transform Kalman Filter solves well. In contrast, for the same observations, the control of biogeochemistry proves to be a non Gaussian problem and requires the use of a non Gaussian filter. Finally, it is shown that assimilation of ocean color data, for the joint control of the dynamic and the biogeochemistry, is improved by methods adapted for non Gaussianities such as the Anamorphosed Ensemble Kalman Filter. In addition, increasing the ocean color observation frequency makes unavoidable the use of fundamentally non Gaussian filters such as the MRHF.

Le but de ce travail est d'étudier une couche limite soumise à un gradient de pression et de la comparer avec une couche limite de plaque plane à grands nombres de Reynolds. Dans ce cadre, l’accent est mis sur le comportement des structures cohérentes à grande échelle. En raison de leur grande longueur, ces structures ne sont pas faciles à extraire et à caractériser en utilisant des techniques de mesure standard. Pour cette raison, des dispositifs expérimentaux spécifiques utilisant la PIV dans les plans longitudinaux et parallèles à la paroi ont été conçus pour capturer les structures à grande échelle et pour mieux comprendre les mécanismes régissant la dynamique de ces écoulements. La première partie revisite les résultats obtenus sur une couche limite plaque plane en sondant l'origine d'une décroissance spectrale en dans la couche limite turbulente. Dans cette perspective, un modèle simpliste basé sur le modèle de Townsend-Perry est proposé. Ce modèle peut, en principe, être appliqué à n'importe quel écoulement turbulent de paroi. La deuxième partie se concentre sur l'amélioration de la compréhension de la turbulence en gradient de pression adverse en effectuant une caractérisation complète d’un écoulement académique au dessus d’une géométrie. L’accent est mis sur les caractéristiques des structures (longueur, scaling, contribution énergétique et distribution selon la normale à la paroi) ainsi que sur l'influence du gradient de pression adverse sur les structures des grandes échelles. L'analyse permet de comparer le comportement d'une couche limite en présence de gradient de pression adverse avec le cas d’une plaque plane à grands nombres de Reynolds / The aim of the present work is to study a boundary layer subjected to a pressure gradient and to compare it with a zero pressure gradient (ZPG) boundary layer at high Reynolds numbers. Within this framework, focus is laid on the behaviour of large-scale coherent structures. Due to their large streamwise extent, these structures are not easy to extract and characterize using standard measurement techniques. For this reason, specific experimental set-ups using PIV in the streamwise/wall-normal planes was designed to capture the large-scale structures and to gain more insight into the mechanisms governing the dynamics of these flows. The achievements of the present investigation can be divided into two parts. The first part revisits the results obtained on a ZPG turbulent boundary layer by probing the origin of a spectral range in a turbulent boundary layer. To this end, a simple model which can in principle be applied to various wall-bounded turbulent flows is proposed from a new perspective based on the work of Townsend-Perry. The second part focuses on improving the understanding of turbulence under an adverse pressure gradient (APG) by performing a complete flow characterisation of an academic test case on a large scale geometry. Emphasis is laid on the characteristics of the structures (length, scaling, energetic contribution and their wall normal distribution) along with the influence of the APG on the large-scale structures. The analysis is also extended to compare the behaviour of APG with the ZPG case at high Reynolds numbers

Cette thèse, financée dans le cadre du projet européen CSP2, porte sur l'étude d'un nouveau type de récepteur solaire thermique à concentration utilisant comme fluide caloporteur une suspension dense de fines particules en circulation ascendante dans des tubes verticaux. Ladite suspension est obtenue par fluidisation de particules de classe A. Le principe consiste à créer un écoulement ascendant de la suspension dans un tube vertical exposé au rayonnement solaire concentré qui chauffe la paroi du tube, qui transmet ensuite cette chaleur aux particules, qui la transportent jusqu'à un cycle de conversion d'énergie pour la production d'électricité. Au contraire des fluides solaires classiques, les particules peuvent atteindre les hautes températures (> 700 °C) permettant l'utilisation de cycles à haut rendement de conversion (Brayton, cycles combinés), tout en permettant un stockage direct de la pour une production continue. Au cours de la thèse, un récepteur à un tube a été testé avec succès au grand four solaire du laboratoire PROMES-CNRS à Odeillo, les particules en sortie atteignant 750 °C, ce qui a prouvé la faisabilité du concept et permis la détermination des premières valeurs de coefficient d'échange de chaleur tube-suspension. L'hydrodynamique de l'écoulement et les mécanismes d'échange de chaleur ont été observés grâce à des simulations numériques 3D. Un récepteur de 150 kWth à 16 tubes a ensuite été testé et modélisé, validant l'utilisation du procédé à plus grande échelle. / This thesis, financed in the frame of the CSP2 European project, concerns the study of a new kind of thermal concentrating solar receiver using a dense suspension of solid particles circulating upward in vertical tubes. The suspension is obtained by fluidizing Geldart A-type particles. The principle consists in creating an upward flow of the suspension in a vertical tube exposed to the concentrated solar radiation that heats the tube wall. The heat is then transmitted to the particles circulating inside that transport it to a conversion cycle for electricity production. Contrarily to usual solar heat transfer fluids, particles can reach high temperatures (> 700 °C) that permit to power high efficiency thermodynamic cycles such as Brayton or combined cycles. Moreover they can be used as a direct heat storage medium for continuous electricity production. During this thesis, a one-tube solar receiver was successfully tested at the PROMES-CNRS solar furnace in Odeillo, with particle outlet temperatures of 750 °C reached. The first values of wall-to-suspension heat transfer coefficient were calculated and a Nusselt correlation was determined. A specific flow pattern with a particle downward flux close to the wall and upward flux in the tube center was underlined. The flow hydrodynamics and the heat transfer mechanisms were studied thanks to 3D numerical simulations. A 16-tube 150 kWth receiver was finally tested and modeled, proving the process applicability at larger scale.

Cette thèse est consacrée au mécanisme conduisant à des taux de collisions importants dans les suspensions turbulentes de particules inertielles. Le travail a été effectué en suivant numériquement des particules, par simulations directes des équations de Navier–Stokes, et également par étude de modèles simplifiés. Les applications de ce domaine sont nombreuses aussi bien dans un contexte industriel que naturel (astrophysique, géophysique). L’approximation des collisions fantômes (ACF), souvent utilisée pour déterminer les taux de collision numériquement, consiste à compter dans une simulation, le nombre de fois que la distance entre les centres de deux particules devient plus faible qu’une distance seuil. Plusieurs arguments théoriques suggéreraient que cette approximation conduit à une surestimation du taux de collision. Cette thèse fournit non seulement une estimation quantitative de cette surestimation, mais également une compréhension détaillée des mécanismes des erreurs faites par l’ACF. Nous trouvons qu’une paire de particules peut subir des collisions répétées avec une grande probabilité. Ceci est relié à l’observation que, dans un écoulement turbulent, certaines paires de particules peuvent rester proches pendant très longtemps. Une deuxième classe de résultats obtenus dans cette thèse a permis une compréhension quantitative des très forts taux de collisions souvent observés. Nous montrons que lorsque l’inertie des particules n’est pas très petite, l’effet « fronde/caustiques », à savoir, l’éjection de particules par des tourbillons intenses, est responsable du taux de collision élevé. En comparaison, la concentration préférentielle de particules dans certaines régions de l’espace joue un rôle mineur. / This thesis is devoted to the mechanisms leading to strong collision rates of inertial particles in turbulent suspensions. Our work is based on simulating the motion of particles, using both direct numerical simulations of the Navier–Stokes equations, and a simpler model (kinematic simulations). This subject is important for many applications, in industrial as well as natural (astrophysical, geophysical) contexts. We revisit the ghost collision approximation (GCA), widely used to determine the rate of collisions in numerical simulations, which consists in counting how many times the centers of two particles come within a given distance. Theoretical arguments suggested that this approximation leads to an overestimate of the real collision rate. This work provides not only a quantitative description of this overestimate, but also a detailed understanding of the error made using the GCA. We find that a given particle pair may undergo multiple collisions with a relatively high probability. This is related to the observation that in turbulent flows, particle pairs may stay close for a very long time. We have provided a full quantitative characterization of the time spent together by pairs of particles. A second class of results obtained in this thesis concerns a quantitative understanding of the very strong collision rates often observed. We demonstrate that when the particle inertia is not very small, the “sling/caustics ” effect, i.e., the ejection of particles from energetic vortices in the flow, is responsible for the high collision rates. The preferential concentration of particles in some regions of space plays in comparison a weaker role.

Les ondes internes sont produites par suite de l’équilibre dynamique entre les forces de flottabilité et la gravité quand une particule de fluide est déplacée verticalement dans un milieu stratifié stable. Les systèmes géophysiques tels que océan et l’atmosphère sont naturellement stratifiés et donc favorables à la propagation des ondes internes. En outre, ces deux environnements stockent une grande quantité de particules tant dans leur intérieur que sur les bords. Par conséquent, les ondes internes et les particules vont inévitablement interagir dans ces systèmes. Au cours de ce travail, des expériences exploratoires sont réalisées pour étudier le transport par érosion des particules, généré par les ondes internes. Afin de déterminer un seuil de transport, les propriétés particulières des réflexions d’ondes internes («réflexion critique ») sont utilisées pour augmenter l’intensité du champ d’ondes à la surface de réflexion. Une méthode a été développée en collaboration avec une équipe de traitement du signal pour améliorer la détermination des composantes de l’onde impliquées dans une réflexion quasi critique. Cela nous a permis de comparer nos résultats expérimentaux avec une théorie de la réflexion critique, montrant un bon accord et permettant d’extrapoler ces résultats à des expériences au-delà de la nôtre et à des conditions océaniques. Nous avons aussi étudié l’interaction des ondes internes avec une colonne de particules en sédimentation. Deux effets principaux ont été observés : la colonne oscille autour d’une position d’équilibre, et elle est déplacée dans son ensemble. La direction du déplacement de la colonne est expliquée par le calcul de l’effet de la dérive Lagrangienne produite pour des ondes. Cet effet pourrait également expliquer la dépendance en fréquence du déplacement. / Internal waves are produced as a consequence of the dynamic balance between buoyancy and gravity forces when a particle of fluid is vertically displaced in a stably stratified environment. Geophysical systems such as ocean and atmosphere are naturally stratified and therefore suitable for internal waves propagation. Furthermore, these two environments stock a vast amount of particles at their boundaries and in their bulk. Therefore, internal waves and particles will inexorably interact in these systems. In this work, exploratory experiments are performed to study wave generated erosive transport of particles. In order to determine a transport threshold, the peculiar properties of internal waves (“critical reflection”) are employed to increase the intensity of the wave field at the boundaries. A method was developed in collaboration with a signal processing team to improve the determination of the wave components involved in near-critical reflection. This method enabled us to compare our experimental results with a theory of critical reflection, showing good agreement and allowing to extrapolate these results to experiments beyond ours and to oceanic conditions. In addition, we study the interaction of internal waves with a column of particles in sedimentation. Two main effects are observed: the column oscillates around an equilibrium position, and it is displaced as a whole. The direction of the displacement of the column is explained by computing the effect of the Lagrangian drift of the waves. This effect could also explain the frequency dependence of the displacement.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer de nouveaux mécanismes de transport de solides dans les disques protoplanétaires afin de résoudre le problème de la dérive radiale des solides causée par la friction du gaz. En effet, malgré d'importants efforts théoriques et expérimentaux, il reste difficile à expliquer comment de petites particules de poussière submillimétriques forment des blocs kilométriques dans les conditions qui règnent au sein des disques protoplanétaires. Je montre que les mécanismes de transport proposés dans cette thèse sont en mesure de résoudre ce problème de dérive et j'étudie leurs effets sur la formation des premiers solides. Dans un premier temps, je considère les effets de la photophorèse et des jets magnétiques sur le mouvement radial des grains dans les disques protoplanétaires. Le premier est dû aux effets thermiques du rayonnement stellaire sur la surface des grains, tandis que le deuxième est provoqué par les lignes de champ magnétique stellaire qui traversent le disque. Les résultats sont obtenus en résolvant les équations du mouvement des particules de façon numérique. Le transport induit par ces mécanismes a d'importantes conséquences pour la composition des météorites qui sont discutées dans le contexte de la nébuleuse solaire. Dans un deuxième temps, j'étudie la formation de pièges à particules causés par la présence de plusieurs planètes dans le disque grâce à des simulations hydrodynamiques. Ces résultats incluent la croissance des grains et sont directement comparés aux travaux similaires considérant une seule planète dans le disque. Le cas de l'étoile HD 100546, pour lequel les observations récentes suggèrent la présence de deux planètes dans le disque, est examiné en détail. L'évolution du disque en considérant différentes tailles de grain est étudiée au moyen de simulations hydrodynamiques SPH. Les distributions de la poussière et du gaz dans le disque sont particulièrement révélatrices car elles permettent de mettre à l'épreuve les différents scenarios proposés par les observations. L'étude de ces mécanismes montre que, selon leur taille et leur composition, les grains s'accumulent à différentes distances radiales dans le disque. Ces processus empêchent donc l'accrétion des solides par l'étoile et résolvent ainsi le problème de la barrière de dérive radiale. Les futures observations avec des instruments tels que ALMA, SPHERE et MATISSE permettront de mieux contraindre l'efficacité de ces mécanismes dans les disques protoplanétaires / The main goal of this work is to study new transport mechanisms of solids in protoplanetary disks and its implications for the composition of the first solids. The motion of solids inside the disk leads to the so-called radial-drift barrier caused by the gas aerodynamic drag, which is a severe problem for planet formation theory. In this context, it is hard to explain how sub-mm grains reach planetesimal sizes during the disk lifespan. First of all, I study the effects of photophoresis on the dust grains illuminated by the stellar radiation and quantify the efficiency of radial transport as a function of the particle properties. Then, I study the ejection of particles from the inner regions of the disk via the so-called stellar fountain model. Due to the stellar magnetic field which threads the disk, solid particles enter a jet that sends them outwards up to a few astronomical units. Both processes, photophoresis and jets, have important implications for the composition of meteorites which are discussed within the Solar Nebula scenario. In the last chapter, I study dust dynamics in multi-planetary systems through SPH simulations. The formation of particle traps in a disk with two planets is treated in detail and compared to previous work considering a single planet. Then I consider the case of HD 100546, a star with a disk which might harbor two planets according to recent observations, and study the disk evolution in different scenarios. By considering different grains sizes it is then possible to establish a link with interferometric observations of the system. We consider models with different planetary masses and radial distances in order to better constrain these quantities. The study of these mechanisms reveals that, according to particle size and composition, grains can pile up at different radial distances in the disk. This prevents the accretion by the central star by stopping the radial drift of solids, which shows that these mechanisms are good candidates to solve the radial-drift barrier. Future observations using ALMA, SPHERE and MATISSE will provide insights into the efficiency of these transport processes in protoplanetary disks

Après une introduction générale, ce manuscrit contient deux chapitres préliminaires, l'un décrivant le contexte physique et l'autre les techniques mathématiques utilisées lors de cette thèse.Nous présentons ensuite les travaux développés au cours de cette thèse. Nous commençons par l'extraction de la correction du couplage de Yukawa du quark bottom dans la théorie effective du boson de Higgs par un calcul de correspondance à deux boucles entre cette théorie effective et le modèle standard. Cette correction était la pièce manquante pour l'amélioration de la prédiction de la section efficace de production du boson de Higgs en association avec deux quarks bottom.Les deux chapitres suivants couvrent différents aspects du calcul de la correction au deuxième ordre de la section efficace de production d'un boson de Higgs par fusion de gluon dans la théorie effective du modèle standard. Nous présentons d'abord le calcul des corrections virtuelles de ce processus et exploitons la structure établie des divergences ultraviolettes à une boucle et des divergences infrarouges pour extraire un contre terme à deux boucles qui nous a permis de renormaliser l'amplitude, que nous avons ensuite prolongé analytiquement aux régions physiques.Nous combinons alors ce résultat avec le calcul automatique des corrections par émission réelles par le logiciel Madgraph5_aMC@NLO, qui a permis l'intégration de la section efficace. Nous présentons les résultats pour la section efficace totale et deux distributions de variables cinématiques et commentons l'impact des corrections radiatives sur ces prédictions / After a general introduction, this manuscript presents two preliminary chapters, describing first the physics context and the mathematical techniques used in this thesis.We then present the work performed in this thesis. We start with extraction of the power-suppressed of the Yukawa coupling of the bottom quark in the Higgs Effective Field Theory (HEFT) by a two-loop matching calculation between the Standard Model and the HEFT. This correction was the missing piece to improve the prediction of the production cross section of a Higgs boson in association to a pair of bottom quarks.The two next chapters present different aspects of the NLO corrections to Higgs boson production through gluon fusion in the standard model effective field theory. We first present the evaluation of the virtual corrections to this process and use the known one-loop ultraviolet and infrared divergence structure to extract a two-loop counterterm that allowed us to renormalize the amplitude, which we then analytically continued to the physical regions.We then combine this result with the automatic calculation of the real emission corrections in the program Madgraph5_aMC@NLO. The results are presented for the total cross section and differential distributions and comment on the effect of radiative corrections on these predictions

Dans cette thèse on cherche à étudier le flux péristaltique des liquides dans un canal à onde de pression déterminée aux confins. Dans la plupart des recherches de systèmes de transportation péristaltiques la variation des coordonnées de la paroi est prédéfinie pour les raisons de commodité. Cependant les parois d’organes creux (comme oesophage intestin grêle, côlon urètre, vaisseaux lymphatiques) dont le fonctionnement consiste à transmettre des produits par la voie péristaltique, sont dotées de barorécepteurs – capteurs qui perçoivent la pression dans la couche limite de fluides et servent à réguler le calibre des vaisseaux. Pour créer le modèle du comportement des systèmes biologiques pareils il nous semble plus adéquat de prédéfinir l’onde de pression aux confins des vaisseaux. Cette approche réalisée dans notre thèse permet de découvrir et décrire des effets nouveaux, inexplorés auparavant. Dans cette thèse nous étudions aussi l’influence des pulsations transversales des parois du canal sur la transmission du produit dues aux chutes de pression. Cet objectif est apparu lors de la détermination de la viscosité du liquide utilisant la méthode des canaux compressibles (squeezing flow viscometry). Des problèmes similaires sont assez répandus dans l’étude d’une variété des systèmes biologiques, en particulier, des mouvements de lubrification des articulations ou des micro-vaisseaux des muscles. Nous avons aussi étudié l’influence du son sur l’interaction d’une particule solide tombante et d’une bulle de gaz montante dans le liquide. La pertinence de ce travail est liée à l’importance de recherche des solutions possibles pour augmenter l’efficacité de flottation, méthode d’enrichissement basée sur l’accrochage des particules minérales par des bulles de gaz / The thesis studies the peristaltic flow of fluid in a channel with the specified pressure wave at the boundary. The law of wall’s coordinate variation isn’t determined a priori. It is found from the initially definite law of pressure-variation on the wall. This way is based on the fact that some hollow organs change diameter under the signals of baroreceptors (sensors that detects the pressure). We studied the effects of various parameters on flow rate and structure of flow. Besides we studied the influence of vibration on the peristaltic flow under long wave approximation. The paper also considers the influence of the wall transverse pulsation on the fluid transport under the pressure drop. This problem arises in defining the liquid viscosity by squeezing flow viscometry. The same problems occur in analyzing different biological systems, including the lubricant movement in joints or in the microvessels of working muscles. The influence of sound on the interaction of a solid particle and a gas bubble in fluid is studied as well.

Comme je suis particulièrement intéressé par les nanosciences et les nombreuses applications des nanotechnologies, je me suis penché sur le développement de méthodes de fabrication de nanoparticules ultra-petites dont les fonctions peuvent être ajustées avec précision. Récemment, une nouvelle technologie appelée « technologie d’une seule chaîne », c’est-à-dire qui utilise une seule chaîne polymère, est devenue un sujet de recherche de plus en plus motivant pour la communauté scientifique. Cette technologie a l’avantage de dépendre d’une méthode facile de préparation de nanoparticules polymères d’une seule chaîne (SCNPs) et ayant des dimensions typiques de 1,5 à 20 nm. Leurs tailles ultra petites leur confèrent des propriétés spécifiques, ce qui permet de les utiliser comme capteurs, systèmes catalytiques, revêtements à faible viscosité, nanoréacteurs ou pour des applications biomédicales. Grâce aux contributions de nombreux scientifiques durant la dernière décennie, les méthodes de synthèse des SCNPs sont devenues très variées et représentent une technologie désormais mature. Néanmoins, de nombreux problèmes sont à résoudre dans ce domaine, ce qui permettra d’ajouter de nouvelles fonctions ou de les valoriser pour de nouvelles applications. Les polymères sensibles à plusieurs stimuli sont une classe de matériaux intelligents dont les propriétés peuvent être modifiées par l’application d’un stimulus extérieur. Ils sont utilisés extensivement dans les domaines énergétique et biomédical. Comme leurs propriétés physiques et chimiques peuvent être modifiées aisément et efficacement par un contrôle de leur environnement externe, ces polymères sont des candidats pour fabriquer de nouvelles SCNPs. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement de SCNPs ayant de multiples fonctionnalités car cela permet d’ouvrir la voie pour de nouvelles applications. Pour cela, de nombreux polymères sensibles à plusieurs stimuli ont été préparés comme précurseurs à des SCNPs. En concevant spécifiquement ces polymères, il fut possible d’ajouter leurs propriétés de réponse à des stimuli dans les systèmes SCNPs. Le cœur même de cette thèse consiste en trois projets qui utilisèrent trois classes de SCNPs provenant de polymères sensibles aux stimuli. Grâce à leur réponse à plusieurs stimuli, ces SCNPs remplirent de nombreuses fonctions et subirent des modifications soit de leur structure, soit de leur morphologie, soit de leurs propriétés. Et en plus de la variété de fonctions, chaque classe de SCNPs a le potentiel pour de nombreuses applications. Dans la première étude présentée dans cette thèse (chapitre 1), nous avons préparé une classe de SCNPs photodégradables ayant une taille ajustable et inférieure à 10 nm. Il s’agit de polyesters rendus photosensibles par la présence de coumarines à l’intérieur de la chaîne principale (nommés CAPPG) grâce à la copolymérisation de coumarine diol, d’acide adipique et de propylène glycol (PPG). Cette incorporation de coumarines dans la chaîne principale permet au polymère d’être photosensible par deux façons. En effet, les coumarines peuvent se photo-dimériser, lorsqu’elles sont irradiées par des rayonnements UV (> 320 nm) en des cyclobutanes qui peuvent être ouverts à nouveau par d’autres rayonnements UV (254 nm) permettant la restauration des coumarines initiales. Cela a permis la création de SCNPs de tailles inférieures à 10 nm et incluant des propriétés de photodégradation. Cette propriété a été démontrée par une irradiation de 3 h avec des chaînes polymères de 13220 g/mol à 1385 g/mol dans les SCNPs. La taille de ces SNCPs (caractérisée par leur rayon hydrodynamique) peut être modifiée entre 3 nm et 5,3 nm en modifiant le taux de dimérisation des coumarines, ce qui est aisément obtenu en ajustant le temps d’irradiation UV. Les résultats ont démontré que cette méthode permet un contrôle aisé de la taille des SCNPs sans avoir recours à la synthèse de nombreux polymères précurseurs. Finalement, comme le polyester était biodégradable et biocompatible, ces SCNPs peuvent être exploitées pour des applications biomédicales. Dans la deuxième étude effectuée au cours de cette thèse (chapitre 2), nous avons préparé un nouveau type de SCNPs multifonctionnel à partir d’un polymère cristallin liquide. Il s’agit du polyméthacrylate de [2- (7-méthylcoumaryl) oxyéthyle - co - 6-[4-(4’-méthoxyphenylazo) phénoxy] hexyle] (PAzoMACMA). Les groupements latéraux du polymère contiennent, en majorité, des azobenzènes photoisomérisables et, en minorité, des coumarines photodimérisables. Les azobenzènes servent de mésogènes pour la formation de cristaux liquides alors que les coumarines ont été utilisées pour une réticulation photoinduite et intrachaîne. Malgré les dimensions inférieures à 15 nm, le confinement et la réticulation, les phases cristallines liquides (LC) persistèrent même dans les SCNPs. Ces SCNPs cristaux liquides (LC-SCNPs) présentèrent un certain nombre de propriétés intéressantes et particulières. Alors que leurs dispersions dans le THF n’étaient pas fluorescentes, celles dans le chloroforme l’étaient. En plus, ces nanoparticules s’aggloméraient quelque peu dans le chloroforme ce qui induisait des fluorescences différentes entre des SCNPs riches en isomères cis ou riches en isomères trans des azobenzènes. A cause de la photoisomérisation des azobenzènes, ces LC-SCNPs se déformaient sous irradiation comme le font les microparticules ou les colloïdes contenant des azobenzènes. Cependant, la déformation de ces nanoparticules dépend de la longueur d’onde de lumière polarisée. Alors que sous irradiation UV polarisée à 365 nm, l’élongation des SCNPs était perpendiculaire à la polarisation de la lumière incidente, sous irradiation visible polarisée entre 400 et 500 nm, l’étirement se faisait parallèlement à la polarisation. Finalement, un nanocomposite fut préparé par dispersion de LC-SCNPs dans une matrice de polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Si celui-ci était étiré mécaniquement, les azobenzènes s’orientaient dans la direction de la déformation induite. Ces propriétés intéressantes des LC-SCNPs que cette étude a permis de dévoiler, suggèrent de nouvelles applications potentielles. Dans la troisième étude de cette thèse (chapitre 3), nous avons préparé une classe de SCNPs sensibles à la présence de CO2 et leurs agrégats micellaires auto-assemblés. D’un côté, des SCNPs ont été préparées à partir d’un polyméthacrylate de {(N, N-diméthylaminoéthyle)-co-4-méthyl-[7-(méthacryloyl)-oxyéthyl-oxy] coumaryle} (PDMAEMA-co-CMA). Lorsqu’elles sont dispersées en solution aqueuse, les nanoparticules individuelles peuvent subir des cycles réversibles d’expansion et de rétrécissement sous une stimulation alternative de CO2 et de N2 qui vont protoner et déprotoner les amines tertiaires. D’un autre côté, des SCNPs de type ‘Janus’ (SCJNPs) ont été préparées à partir d’un copolymère dibloc amphiphile : PS-b-P(DMAEMA-co-CMA) (PS correspond au polystyrène qui est hydrophobe). Ce type de SCJNPs peut s’autoassembler sous forme de micelles en solution aqueuse. Sous stimulation CO2 ou N2, l’expansion ou le rétrécissement à l’intérieur des particules permet de grands changements de volume. En plus, ces particules ont été étudiées comme potentiels nanoréacteurs pour des nanoparticules d’or (AuNPs) que ce soit sous formes SCNPs ou micelles SCJNPs. La vitesse de formation des AuNPs augmente sous bullage de CO2 et décroît sous N2. Cela permet de rendre possible cette réaction contrôlable par ces deux gaz. Qui plus est, utiliser des micelles de SCJNPs dont le volume peut être modifié sur un large intervalle en changeant l’intensité de la stimulation de CO2, permit d’obtenir des AuNPs de taille variable. / Abstract : With interests on nanoscience and nanotechnology for many applications, there is a demand for development of fabrication technology of ultra-small nano-size objects that allow for precise size control and tailored functionality. Recently, a new technology called ‘single-chain technology’, which manipulates a single polymer chain, becomes a rapidly-growing research topic. This technology provides a facile method to prepare polymer single-chain nanoparticles (SCNPs) with a typical size of 1.5-20 nm. Due to the ultra-small size-enabled unique properties, SCNPs have wide range of applications, including sensor, catalytic system, low viscosity coating, nanoreactor and biomedical applications. Through the contributions by many scientists in the past decade, the synthetic methodologies to fabricate SCNPs have been reported using various chemistries and been getting mature. However, there are still several unsolved problems in the field of SCNPs including functions and application. Stimuli-responsive polymers, as a class of smart materials whose properties can be changed by responding to external stimuli, have been widely used in energy and biomedical applications. Since their chemical and physical properties can be changed easily and efficiently via environmental control, stimuli-responsive polymers provide a potential pathway to preparing functional SCNPs. In this thesis, we are focusing on developing functional SCNPs, especially systems with multi-functions, and expanding their applications. To achieve this target, various stimuli-responsive polymers were prepared as polymer precursors and their stimuli-responsive properties were introduced into the SCNP systems by rational design of their chemical structures. The core of this thesis is comprised of three projects which deal with three classes of SCNPs from stimuli-responsive polymers. These stimuli-responsive SCNPs perform multi-functions and undergo certain change either in structure or morphology and properties. In addition, according to their variety of functions, each class of multi-functional SCNPs has diverse potential applications. In the first study presented in the thesis (Chapter 1), we prepared a class of sub-10 nm photodegradable and size-tunable SCNPs based on photo-responsive main-chain coumarin-based polyesters Poly{[7-(hydroxypropoxy)-4-(hydroxymethyl)coumarin adipate]-co- (polypropylene glycol adipate)} (CAPPG) through copolymerization of coumarin diol, adipic acid and polypropylene glycol (PPG). By incorporating coumarin moieties into the chain backbone of a polyester, dual photo-responsive reaction, i.e. photo-dimerization (>320 nm) and photo-induced chain scission (254 nm), occur under two different wavelengths of UV irradiation, enabling the preparation of sub-10 nm SCNPs and their photo-degradation property. The photo-degradability of SCNPs is evidenced under 254 nm UV irradiation for 3 h, which molecular weight of SCNPs decreasing from 13220 g/mol to 1385 g/mol. Moreover, the size of SCNPs can be tunable from 5.3 nm to 3 nm (hydrodynamic diameter) by varying the dimerization degree of coumarin moieties, that is simply controlled by the UV irradiation time. These results demonstrate a facile method to control the size of SCNPs without the need for synthesizing different polymer precursors. Finally, due to the biocompatible and biodegradable nature of polyester as polymer precursor, the SCNPs with photo-degradability and size-tunability have the potential to be exploited for biomedical applications. In the second study realized in this thesis (Chapter 2), we prepared a new type of multi-functional SCNPs from a side-chain liquid crystalline polymer (SCLCP), namely poly{6-[4-(4-methoxyphenylazo) phenoxy]hexylmethacrylate-co-4-methyl-[7-(methacr-yloyl) oxy-ethyl-oxy]coumarin} (PAzoMACMA). The polymer’s side groups comprise photo-isomerizable azobenzene in majority and photo-dimerizable coumarin in minority, with the former as mesogens and the latter for intra-chain photo-crosslinking. Despite the sub-15 nm size, confinement and crosslinking, the liquid crystalline (LC) phases of bulk PAzoMACMA persist in SCLCPs. Such LC-SCNPs exhibit a number of interesting and peculiar properties. While their dispersion in THF is non-fluorescent, when dispersed in chloroform, the nanoparticles appear to agglomerate to certain degree and display significant fluorescence that is different for SCNPs rich in the trans or cis isomer of azobenzene. The azobenzene LC-SCNPs also undergo photo-induced deformation, similar to azobenzene micro- or colloidal particles. However, the elongational deformation of the nanoparticles is dependent upon the linearly polarized excitation wavelength. While under polarized 365 nm UV irradiation the SCNP stretching direction is perpendicular to the light polarization, under polarized 400-500 nm visible light irradiation, the stretching takes place along the light polarization direction. Finally, an all-polymer nanocomposite was prepared by dispersing the LC-SCNPs in poly(methyl methacrylate) (PMMA), and mechanically stretching-induced orientation of azobenzene mesogens developed along the strain direction. The interesting properties of LC-SCNPs unveiled in this study suggest new possibilities for applications including bio-imaging and LC materials. As the third study in this thesis (Chapter 3), we studied a class of CO2-responsive SCNPs and their self-assembled micellar aggregates. On one hand, SCNPs are prepared from a random copolymer of poly{(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate)-co-4-methyl-[7-(methacryloyl)oxyethyl-oxy]coumarin} (P(DMAEMA-co-CMA)). When dispersed in aqueous solution, individual nanoparticles can undergo reversible swelling/shrinking under alternating CO2/N2 stimulation as a result of the reversible protonation/deprotonation of tertiary amine groups. On the other hand, tadpole-like single-chain ‘Janus’ nanoparticles (SCJNPs) are prepared using an amphiphilic diblock copolymer of PS-b-P(DMAEMA-co-CMA) (PS is hydrophobic polystyrene). This type of SCJNPs can self-assemble into core-shell micellar aggregates in aqueous solution. Under CO2/N2 stimulation, the collective swelling/shrinking of SCJNPs within the micelle results in large, reversible volume change. In addition, both P(DMAEMA-co-CMA) SCNPs and PS-b-P(DMAEMA-co-CMA) SCJNP micelles are explored as gas-tunable nanoreactors for gold nanoparticles (AuNPs). The rate of AuNP formation increases under CO2 stimulation and decreases upon N2 bubbling, which makes it possible to tune the reaction rate up and down (on/off switching) by using the two gases. Moreover, using the micelles of SCJNPs, whose volume can be controlled over a wide range by adjusting the CO2 stimulation strength, variable-size AuNPs and their aggregates are obtained with continuous redshift of the surface plasmon resonance (SPR) into the long wavelength visible light region.

Cette thèse de doctorat a pour cadre l’expérience CMS auprès du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Le LHC, qui a permis la découverte en 2012 du boson de Brout-Englert-Higgs, est destiné à fonctionner pour encore 20 ans, avec une luminosité qui croîtra progressivement pour atteindre d’ici 2025 la valeur de 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, c'est à dire environ cinq fois la valeur initialement prévue. Ceci a pour conséquence que les expériences doivent s’adapter et mettre à niveau une série de leurs composants et détecteurs. Une des prochaines mises à niveau de l’expérience CMS concerne les détecteurs Triple Gas Electron Multiplier (GEM) qui sont actuellement en développement pour la partie avant du spectromètre à muons de l’expérience. Ces détecteurs seront installés dans CMS durant le deuxième long arrêt du LHC, en 2018-2019, appelé LS2. Cette mise à niveau a pour but de contrôler les taux de déclenchement d’événements pour la détection de muons, grâce à la haute performance de ces détecteurs Triple GEM en présence de taux de particules extrêmement élevés (>1 kHz/cm^2). De plus, grâce à sa très bonne résolution spatiale (~250 um), la technologie GEM peut améliorer la reconstruction des traces de muons et la capacité d’identification du détecteur avant.Le but de mon travail de recherche est d’estimer la sensitivité des Triple GEMs à l’environnement de radiation hostile dans CMS, essentiellement composé de neutrons et de photons produits lors des interactions entre les particules et les détecteurs constituant l’expérience CMS. L’estimation précise de cette sensitivité est très importante, car une sous-estimation pourrait avoir des effets désastreux pour l’efficacité des Triple GEMs une fois installés dans CMS. Pour valider mes simulations, j’ai également reproduit des résultats expérimentaux obtenus avec d’autres détecteurs similaires déjà installés dans CMS, tels que les Resistive Plate Chambers (RPC).La deuxième partie de mon travail concerne l’étude de la capacité de l’expérience CMS à discerner différents modèles de nouvelle physique prédisant l’existence de bosons vecteurs, appelés Z'. Ces modèles font partie des extensions plausibles du Modèle Standard. En particulier, l’analyse se concentre sur des simulations dans lesquelles le Z' se désintègre en deux muons, et sur l’impact que les mises à niveau avec les détecteurs Triple GEM apporteront à ces mesures tout le long de la phase de haute intensité du LHC. Mes simulations montrent que plus de 20% des événements simulés comptent au moins un muon dans la région en pseudo-rapidité (eta) de CMS couverte par les détecteurs Triple GEM. Les résultats préliminaires démontrent que, dans le case de modèles à 3 TeV/c^2, il sera possible dès la fin de la Phase I de distinguer un Z'I d'un Z'SSM avec un niveau de signification alpha > 3 sigma. / This PhD thesis takes place in the CMS experiment at CERN's Large Hadron Collider (LHC). The LHC allowed the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012, and is designed to run for at least 20 years, with an increasing luminosity that will reach by 2025 a value of 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, that is a yield five times greater than the one initially intended. As a consequence, the experiments must adapt and upgrade many of their components and particle detectors. One of the foreseen upgrades of the CMS experiment concerns the Triple Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, currently in development for the forward muon spectrometer. These detectors will be installed in CMS during the second long LHC shutdown (LS2), in 2018-2019. The aim of this upgrade is to better control the event trigger rate at Level 1 for muon detection, thanks to the high performance of these Triple GEM detectors, in presence of very high particle rates (>1 kHz/cm^2). Moreover, thanks to its excellent spatial resolution (~250 um), the GEM technology can improve the muon track reconstruction and the identification capability of the forward detector.The goal of my research is to estimate the sensitivity of Triple GEMs to the hostile background radiation in CMS, essentially made of neutron and photons generated by the interaction between the particles and CMS detectors. The accurate evaluation of this sensitivity is very important, as an underestimation could have ruinous effects of the Triple GEMs efficiency, once they are installed in CMS. To validate my simulations, I have reproduced experimental results obtained with similar detectors already installed in CMS, such as the Resistive Plate Chambers (RPC).The second part of my work regards the study of the CMS experiment capability to discriminate between different models of new physics predicting the existence of neutral vector bosons called Z'. These models belong to plausible extensions of the Standard Model. In particular, the analysis is focused on simulated samples in which the Z' decays in two muons, and on the impact that the Triple GEM detectors upgrades will bring to these measurements during the high luminosity phase of the LHC, called Phase II. My simulations prove that more than 20% of the simulated events see at least one muon in the CMS pseudo-rapidity (eta) region covered by Triple GEM detectors. Preliminary results show that, in the case of 3 TeV/c^2 models, it will be possible already at the end of Phase I to discriminate a Z'I from a Z'SSM with a significance level alpha > 3 sigma. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished