Dans la magnétosphère de Saturne les ceintures de radiation de protons de haute énergie (de l'ordre de quelques MeV) s'avèrent être isolées de la magnétosphère moyenne et externe, et la source de ces protons de haute énergie devraient être liée aux rayons cosmiques galactiques (GCR). Pour valider cette hypothèse il est d'abord nécessaire de détenniner le flux de GCR accédant à Saturne de manière réaliste. Auparavant, seulement des tentatives théoriques ont été effectuées afm de vérifier cette idée. Dans cette thèse, pour la première est développée nne solution numérique pour la détermination de l'accès des GCR à l'atmosphère et aux anneaux de Saturne. La méthode proposée est basée sur le traçage de particules chargées et le code a été développé spécifiquement pour la magnétosphère de Saturne. Lors de la validation de la méthode les observations de Cassini MIMI1 LEMMS acquises pendant les survols de Rbéa et de Dioné ont été modélisées à l'aide du traceur et les résultats obtenus ont été comparés aux observations. TI a été découvert que le << draping >> des lignes de champ magnétique autour de ces satellites de glace, même si il produit des perturbations locales de seulement quelques pour cent du champ magnétique ambient, peut produire des changements mesurables dans la distribution spatiale et l'énergie des flux des ions énergétiques mesurés par MIMI1 LEMMS. Ces résultats sont importants pour l'interprétation correcte des données MIMI 1 LEMMS, et offrent des fonctionnalités pour l'étalonnage croisé précis en vol des instruments. Après cette validation du traceur de particules il a été appliqué pour un calcul à rebours dans le temps des GCR accédant à Saturne. L'énergie d'accès des GCR a été obtenue, les spectres des GCR ont été reconstruits et le flux intégré de GCR autour de Saturne et de ses anneaux a été calculé. Les résultats obtenus sont essentiels pour la compréhension de la formation des ceintures de radiation de protons, ainsi que pour la future investigation du processus CRAND sur Saturne, pour l'évaluation de l'intensité de la ceinture de radiation intérieure et pour d'autres projets, discutés dans cette thèse. / The MeV proton radiation belts of Saturn are isolated from the middle and outer magnetosphere and the source of these high energy protons should be related to the access of Galactic Cosmic Rays (GCRs) in the system. To validate this hypothesis it is first of all necessary to determine the realistic spectrum of GCRs at Saturn. Previously only theoretical attempts were performed in order to calculate the GCR spectra. In this thesis I provide for the first time the numerical solution for the determination of the GCR access to the upper atmosphere and rings of Saturn. The proposed method is based on the charged particle tracing technique and a code that was developed specifically for this purpose. For the validation of the code, the Cassini MIMI/LEMMS observations during the Rhea and Dione flybys were modeled using the tracer and the obtained results were compared to the observations. It was demonstrated that even a weak perturbation of the magnetic field lines can produce measurable changes in the spatial and energy distribution of fluxes measured by MIMI/LEMMS that can be accurately simulated by particle tracing. These results are important for the correct interpretation of the MIMI/LEMMS data, and offer capabilities for a precise in-flight instruments' cross-calibration besides the validation of our simulation code. After this validation the particle tracer was applied for simulating the access of the GCRs. The GCRs access to the rings and atmosphere was obtained, the GCRs spectra were reconstructed and were in part also validated using additional Cassini observations. Dependencies of the spectral parameters on the time, incidence direction, etc., were also obtained offering all necessary information for simulating the interaction of GCRs with the Saturnian system during different phases of the Cassini mission. That includes also the Proximal orbits of 2017, during which Cassini will sample for the first time the radiation belts inside the D-ring of the planet, a region which is likely populated only by GCR secondaries.

Cette thèse présente un nouveau modèle SCRAM (Size and Composition Resolved Aerosol Model) pour simuler la dynamique des particules dans l'atmosphère (nucléation, coagulation, condensation / évaporation) en prenant en compte leur état de mélange, et elle évalue la performance de SCRAM dans des simulations 3D de qualité de l'air. Le travail peut être divisé en quatre parties. Premièrement, la notion de mélange externe est introduite, ainsi que la modélisation de la dynamique des aérosols. Ensuite, le développement du modèle SCRAM est présenté avec des tests de validation. Dans SCRAM, pour définir les compositions, on discrétise d'abord en sections les fractions massiques des composés chimiques des particules ou d'ensembles de composés chimiques. Les compositions des particules sont ensuite définies par les combinaisons des sections de fractions massiques. Les trois processus principaux impliqués dans la dynamique des aérosols (la coagulation, la condensation / évaporation et la nucléation) sont inclus dans SCRAM. SCRAM est validé par comparaison avec des simulations « académiques » publiées dans la littérature de coagulation et condensation/évaporation pour des particules en mélange interne. L'impact de l'hypothèse de mélange externe pour ces simulations est notamment étudié. L'impact du degré de mélange sur les concentrations de particules est ensuite étudié dans une simulation 0-D en utilisant des données représentatives d'un site trafic en Ile de France. L'influence relative sur l'état de mélange des différents processus influençant la dynamique des particules (condensation / évaporation, coagulation) et de l'algorithme utilisé pour modéliser la condensation / évaporation (hypothèse d'équilibre entre les phases gazeuse et particulaire, ou bien modélisation dynamique des échanges gaz/particules) est étudiée. Ensuite, SCRAM est intégré dans la plate-forme de qualité de l'air Polyphemus et utilisé pour effectuer des simulations sur l'Ile de France pendant l'été 2009. Une évaluation par comparaison à des observations a montré que SCRAM donne des résultats satisfaisants pour les concentrations de PM2.5/PM10 et l'épaisseur optique des aérosols. Le modèle est utilisé pour analyser l'état de mélange des particules, ainsi que l'impact des différentes hypothèses de mélange (mélange interne MI ou mélange externe ME) sur la formation des particules et leurs propriétés. Enfin, deux simulations, une avec l'hypothèse de MI et une autre avec l'hypothèse de ME, sont effectuées entre le 15 janvier et le 11 février 2010, pendant la campagne hiver MEGAPOLI (Megacities : Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) durant laquelle les compositions des particules individuelles ont été mesurées. Les concentrations simulées de composés chimiques (concentration massique totale de différents composés) et les concentrations des classes de particules individuelles (une classe est définie par sa taille et sa composition chimique) sont comparées avec les observations à un site urbain parisien. Un indicateur de la diversité des particules et de l'état de mélange est calculé à partir des simulations et comparé à celui calculé à partir des mesures. Le modèle se compare bien aux observations avec un état de mélange moyen simulé de 69% contre 59% dans les observations, indiquant que les particules ne sont pas en mélange interne sur Paris / This thesis present a newly developed size-composition resolved aerosol model (SCRAM), which is able to simulate the dynamics of externally-mixed particles in the atmosphere, and it evaluates its performance in three-dimensional air-quality simulations. The main work is split into four parts. First, the research context of external mixing and aerosol modelling is introduced. Secondly, the development of the SCRAM box model is presented along with validation tests. Each particle composition is defined by the combination of mass-fraction sections of its chemical components or aggregates of components. The three main processes involved in aerosol dynamic (nucleation, coagulation, condensation/evaporation) are included in SCRAM. The model is first validated by comparisons with published reference solutions for coagulation and condensation/evaporation of internally-mixed particles. The particle mixing state is investigated in a 0-D simulation using data representative of air pollution at a traffic site in Paris. The relative influence on the mixing state of the different aerosol processes and of the algorithm used to model condensation/evaporation (dynamic evolution or bulk equilibrium between particles and gas) is studied. Then, SCRAM is integrated into the Polyphemus air quality platform and used to conduct simulations over Greater Paris during the summer period of 2009. This evaluation showed that SCRAM gives satisfactory results for both PM2.5/PM10 concentrations and aerosol optical depths, as assessed from comparisons to observations. Besides, the model allows us to analyze the particle mixing state, as well as the impact of the mixing state assumption made in the modelling on particle formation, aerosols optical properties, and cloud condensation nuclei activation. Finally, two simulations are conducted during the winter campaign of MEGAPOLI (Megacities : Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) in January 2010 where the composition of individual particles was measured. One simulation assumes that particles are internally mixed, while the other explicitly models the mixing state with SCRAM. The simulation results of both bulk concentrations of chemical species and concentrations of individual particle classes are compared with the measurements. Then, the single particle diversity and the mixing-state index are computed using a quantification approach based on information-theoretic entropy, and they are compared to those derived from the measurements at a urban site in Paris: the simulated mixing-state index is equal to 69% against 59% from the measurements, indicating that particles are not internally mixed over Paris

Ce travail de thèse porte sur l'incorporation de charges minérales d'oxyde d'erbium, Er2O3, et d'oxyde de praséodyme, Pr6O11, dans une matrice polymère de type élastomère, ceci dans le cadre d'un projet industriel de remplacement du plomb dans des équipements de radioprotection. L'objet de cette thèse était d'améliorer la dispersion des charges au sein de la matrice par le biais de procédés de traitements chimiques de ces particules. Divers types de fonctionnalisations de surface ont été employés afin de compatibiliser celles-ci avec une matrice organique, notamment par greffage de composés de type acides phosphoniques. Plusieurs acides phosphoniques ont ainsi pu être utilisés avec succès pour la fonctionnalisation des deux types de charges. La caractérisation de ces différentes fonctionnalisations représente une part importante de ce projet. Des techniques d'analyse innovantes, aussi bien directes qu'indirectes ont été employées dans ce but, à savoir de la Py-GC/MS pour la détection des composés ancrés à la surface des charges, de la fluorescence X et de la spectroscopie infrarouge dans un objectif de quantification, mais aussi des études cinétiques de sédimentation des charges dans un milieu liquide organique. Finalement, des composites ont pu être obtenus par mélange des charges, traitées et non traitées, avec une matrice polyuréthane. Des essais de traction ont permis de montrer clairement une amélioration des propriétés mécaniques de certains des composites, grâce à la fonctionnalisation des charges par les acides phosphoniques. / This thesis focuses on the incorporation of mineral fillers of erbium oxide, Er2O3, and praseodymium oxide, Pr6O11, in an elastomeric polymer matrix, in the context of an industrial project to replace the lead in radiation protection equipment. The actual purpose of this thesis was to improve the dispersion of the fillers in the matrix through chemical treatment processes of these particles. Various types of surface functionalization were used to compatibilize them with an organic matrix, in particular by grafting compounds such as phosphonic acids. Hence, several phosphonic acids have been successfully used for the functionalization of both types of fillers. The characterization of these functionalizations is an important part of this project. Innovative analysis techniques, both direct and indirect have been used for this purpose, namely Py-GC/MS to detect the chemical compounds anchored to the surface of the fillers, X-ray fluorescence and FTIR spectroscopy with a quantification target, but also a study of sedimentation kinetics of the fillers in an organic medium. Finally, composites were obtained by mixing the fillers, untreated and treated, with a polyurethane matrix. Tensile tests have clearly shown an improvement of mechanical properties for some of the composites, due to the functionalization of the fillers by phosphonic acids.

Cette thèse porte sur le flambement d'une interface chargée en particules: une monocouche de grains denses et athermaux à une interface liquide-fluide plane que l'on appelle radeau granulaire. Ces radeaux se rident et se plient lorsqu'ils sont compressés comme des films élastiques. Nous étudions cette instabilité de flambement expérimentalement et théoriquement dans ces deux systèmes dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Nous commençons par examiner les plis dans des films élastiques denses. Nous soulignons l'influence du poids du film dans la formation du pli. Puis nous explorons le régime des très grandes déformations, après que le film soit entré en contact avec lui-même. Suivant la densité du film, le pli se replie vers l'interface ou s'enfonce vers le fond de la cuve. Ensuite nous étudions les rides et les plis dans les radeaux granulaires compressés uniaxialement. A mesure que la compression augmente, nous observons deux motifs de ride distincts, puis la déformation se localise en un unique pli. Nous prédisons la forme et la taille des plis avec un modèle élastique résolu numériquement. Nous insistons sur les limitations de ce modèle et montrons que le caractère granulaire de ces radeaux n'est pas toujours négligeable. Enfin, nous déposons des gouttes d'eau à la surface des radeaux. Lorsque les particules sont hydrophobes et suffisamment grandes, elles capturent un film d'huile qui sépare la goutte du bain et empêche la coalescence. Puis nous modifions la taille de ces gouttes qui prennent des formes inhabituelles. Ces gouttes peuvent ensuite être encapsulées dans une fine couche de particules et d'huile conduisant à des gouttes d'eau dans l'eau. / This thesis is concerned with the buckling of a model particle laden interface: a monolayer of dense, athermal particles at a planar liquid-fluid interface that we call a granular raft. Under compression granular rafts wrinkle and fold like elastic sheets. We investigate this buckling instability experimentally and theoretically for these two systems under the continuum mechanics framework. We first look at folds in custom made dense floating elastic sheets. We highlight the influence of the sheet's own weight in the fold formation and shape. Then we explore the regime of very large deformations, after the sheet contacts itself. Depending on the sheet density, the fold in self-contact either bends back toward the interface or sinks down toward the bottom of the tank. We then look at wrinkles and folds in granular rafts. Our experimental apparatus allows us to compress the rafts uniaxially and extract their morphology. As compression increases, we observe two distinct wrinkling patterns, then the deformations localise in a unique fold. We develop an elastic model that we solve numerically to predict the fold shape and size. We then highlight the limitations of the model and show that the granular nature of these rafts cannot always be neglected. Finally, we deposit water droplets on top of granular rafts. If the particles are hydrophobic and large enough, the raft can inhibit coalescence indefinitely via particle bridging. When we vary the size of these floating drops, they take unusual shapes which depend on the raft properties. These drops can then be encapsulated in a thin composite oil-particle layer leading to water droplets in water.

Les micro-instabilités ioniques et électroniques présentes dans les plasmas de fusion sont à l’origine de la turbulence. Le transport anormal de particules et d’énergie, induit par cette turbulence, joue un rôle néfaste pour les performances des machines à fusion nucléaire comme le tokamak. C’est dans ce cadre général que s’inscrit ce travail visant à une meilleure compréhension de la turbulence et des phénomènes de transport sous-jacents. On sait que la dynamique des particules piégées joue un rôle très important dans l’établissement de la turbulence au travers des instabilités ioniques TIM (Trapped Ion Modes) et électroniques TEM (Trapped Electron Modes). Nous nous attachons donc dans ce travail au développement d’un modèle décrivant ces particules piégées (ions et électrons) de manière cinétique. L’échelle de temps à laquelle nous nous plaçons est de l’ordre de la période de précession toroïdale des particules piégées, période typique de la turbulence TIM/TEM. L’originalité de ce modèle réside dans la réduction de la dimension du problème (de 6D à 4D) par la moyenne sur les deux échelles de temps rapides associées aux particules piégées, respectivement le mouvement cyclotronique et le mouvement de rebond. De plus, l’utilisation des variables d’angle et d’action permet de transformer deux variables en paramètres. Le modèle final ainsi obtenu est 4D, dont deux dimensions interviennent sous la forme de paramètres. L’analyse linéaire du modèle nous permet de connaître les gradients de température et de densité permettant le déclenchement des instabilités TIM et TEM. Il nous permet également de connaître les taux de croissance et les pulsations associés à ces deux instabilités. Ensuite, nous nous appuyons sur le code global TERESA 4D décrivant les ions piégés cinétiques pour y inclure la résolution non-linéaire du modèle décrivant les ions et les électrons piégés cinétiques. Les échelles spatio-temporelles de la turbulence induite par les électrons et celle induite par les ions étant du même ordre de grandeur, cela nous permet d’intégrer à ce code une réponse cinétique des électrons avec un très faible coût numérique supplémentaire par rapport à la version existante. A l’aide de ce nouveau code nous pouvons observer une turbulence générée à la fois par les TIM et les TEM, ceci avec peu de ressources numériques. Nous pouvons obtenir des turbulences présentant différentes structures typiques observées dans les tokamak. C’est le cas des écoulements zonaux et des streamers ayant un rôle majeur dans le transport de particules et d’énergie. En vue d’une meilleure compréhension, voire d’un meilleur contrôle du transport, l’influence de différents paramètres, comme la largeur banane ou le rapport de température ionique sur la température électronique, est étudiée. / In tokamak plasmas, it is recognized that ion and electron micro- instabilities are held responsible for turbulence giving rise to anomalous transport. These limit particle and energy confinements in tokamak devices. This is the context of this work. The main objective is to have a better understanding of turbulence and thus of anomalous transport. It is known that the behaviour of trapped particles plays a major role in the development of turbulence via trapped ion mode (TIM) instability and trapped electron mode (TEM) instability. This work focus on the development of a model describing kinetic trapped particles (ions and electrons). The involved time scale is of the order of the trapped particle precession frequency which corresponds to characteristic frequency of TIM/TEM turbulence. The originality of this model is the reduction of the dimension from6D to 4D. This reduction is made by averaging over both the fast cyclotron motion and the bounce motion. In addition, using a set of action-angle variables allows one to deal with two parameters instead of two variables. The final model is 4D, dealing with two parameters and 2D space coordinates. The temperature and density gradients which trigger TIM and TEM instabilities are given by the linear analysis of the model. This analysis allows us to calculate the growth rates and frequencies associated with these instabilities. In order to solve the non-linear model describing both trapped kinetic ions and trapped kinetic electrons, we use the existing global code TERESA 4D including only trapped kinetic ions. The spatial and temporal scales associated to TIM and TEM turbulence are of the same order of magnitude. It allows us to include trapped electron kinetic response with very low numerical cost compared to the existing version. The TIM/TEM turbulence can be generated by this new code with low computational resources. Different typical structures observed in tokamak can be studied. This is the case of zonal flow and streamer structures which play a major role in anomalous transport. Finally, the influence of different parameters, such as banana width or electron to ion temperature ratio, is considered.

L'étude des plasmas poussiéreux est maintenant un domaine scientifique en plein développement qui attire l'attention d’une large communauté de scientifiques. Rappelons que le plasma poussiéreux est un plasma classique avec des particules injectées ou qui s’y sont formées dont les tailles peuvent atteindre quelques micromètres. Ces particules (poussières) peuvent acquérir de très grandes charges jusqu'à 103 à 105 charges élémentaires. Dans la littérature, il est également appelé plasma à phase condensée dispersée, plasma aérosol et aussi plasma complexe. Les plasmas poussiéreux sont d’un grand intérêt à la fois sur le plan pratique afin de trouver des solutions à des problèmes industriels et sur le plan scientifique fondamental afin d’élargir nos connaissances sur les phénomènes fondamentaux de la nature ainsi que les propriétés et la structure de la matière. En raison du fait que les particules de poussière macroscopique sont visuellement distinguables, le plasma poussiéreux est un objet d’étude unique pour l'étude de certaines propriétés physiques de la matière condensée, telles que les transitions de phase, la propagation d’ondes, les phénomènes de dislocation, les processus de transport, etc…On a constaté que dans de nombreuses technologies modernes mettant en oeuvre un plasma, en raison de l'interaction du plasma avec la surface des matériaux, des particules macroscopiques sont éjectées de celles-ci dans le plasma (dont les tailles peuvent être de quelques nanomètres jusqu'à quelques dizaines de micromètres). Il en résulte ainsi la formation d’un plasma complexe. Le nom le plus commun de ce plasma est un plasma poussiéreux. Un des aspects les plus intéressants est la formation dans certaines conditions de structures ordonnées (« cristaux ou liquide coulombiens »). Toutes ces structures plasmapoussière, se formant de façon naturelle, sont une contamination indésirable qui affecte négativement les propriétés physiques et mécaniques (micro dureté, résistance à la corrosion, etc.) des matériaux et dispositifs manufacturés.L'un des problèmes scientifiques et technologiques les plus importants, à l’heure actuelle, est la réalisation de la fusion thermonucléaire contrôlée. Dans ces conditions extrêmes se forment aussi au voisinage des parois des Tokamaks des poussières qui jouent un rôle fondamental : les données expérimentales récentes montrent que la présence de poussières dans le plasma peut affecter le temps global de confinement du plasma. L'utilisation du plasma poussiéreux dans la production de matériaux composites, à haute valeur ajoutée, est un nouveau champ d'applications. On peut citer à titre d’exemples, le traitement de surface de petites particules sphériques avec des revêtements, d’épaisseur nanométrique, déposés par plasma. Afin d'étudier les mécanismes de formation de particules homogènes ayant des propriétés désirées et une production stable, il est nécessaire de trouver les conditions optimales de production. Ainsi, l'étude des propriétés des plasmas poussiéreux et leurs diagnostics sont des tâches très importantes, à la fois pour les connaissances scientifiques fondamentales et que pour les aspects appliqués. / The study of the dusty plasma is now a developing scientific field, attracting the attention of scientists. Recall that the dusty plasma is conventional plasma with inserted or formed therein particles of condensed matter of microns sizes, the size of these particulates (dusts) can acquire very large charges up to 3 5 10 ¸10 of the elementary charges. In the literature, it is also named as plasma with a condensed dispersed phase, aerosol plasma. Dusty plasma is of interest both for the solution of the applied problems, and to expand our knowledge of the fundamental phenomena in nature, properties and structure of matter. Due to the fact that the macroscopic dust are visually distinguishable the dispersed plasma is unique comfort object for the study of some physical properties of condensed matter, such as phase transitions, transport processes, etc.It was found that in many modern plasma technologies, due to the interaction of the plasma with the material surfaces macroscopic particles from the material fall into the plasma (sizes are from micron fractions up to a few hundred microns). As result complex plasma is formed. The most common name of this plasma is dusty plasma. An interesting fact is that the dusty plasma forms under certain conditions the ordered structures ("plasma crystal", clouds, droplets). All of these plasma- dust structures are naturally occurring undesirable contamination and negatively affect on the physical and mechanical properties (microhardness, corrosion resistance, etc.) of the constructional materials.One of the most important scientific and technological problems is the realization of the controlled thermonuclear fusion. Formed in the wall region of the Tokamak dusty plasma can play a big role: recent experimental data show that the presence of dust in the plasma can affect the global energy confinement time. The use of the dusty plasma in the production of high composite materials is new field of application, for example, small spherical particles with nanocoating deposited in the plasma. In order to study formation of a homogeneous powder of the dust particles with desired properties and stability of its production, it is necessary to find the optimal conditions and time of production. Thus, the study of dusty plasma properties, their diagnostics are very important tasks, both from the scientific and applied aspects.

Les cristaux dopés par des ions de terre rare (TR) apparaissent prometteurs pour des applications dans le traitement quantique de l'information. Parmi ces matériaux, les cristaux massifs d'Eu3+:Y2O3 présentent un long temps de cohérence optique (T2), un paramètre fondamental pour les technologies quantiques. Ce travail de thèse porte sur l'étude de ce système à l'échelle nanométrique, ce qui pourrait permettre de développer des systèmes hybrides dans lesquels les TR sont couplées à d'autres systèmes quantiques. Des nanocristaux de différentes tailles ont été élaborés par précipitation homogène. La largeur optique inhomogène diminue avec des recuits à haute température et peut atteindre les valeurs mesurées dans des cristaux massifs. Une corrélation quasi-linéaire avec les largeurs de raie Raman a aussi été observée. Les temps de vie de population sont plus longs que dans les échantillons massifs et peuvent être modélisés par un indice de réfraction effectif. Les T2 optiques ont ensuite été déterminés par écho de photon et creusement de trou spectral. Nous avons mesuré un temps de cohérence de 7.1 µs à 1.7 K dans un échantillon dopé à 0.5 % en Eu3+, la valeur la plus élevée observée pour un nanocristal. Une étude en température et de la diffusion spectrale indique que le déphasage est dominé par des fluctuations de la structure et des basculements de spins. / Rare earth (RE) doped crystals are promising materials for quantum information processing (QIP). In particular, Eu3+:Y2O3 bulk crystals present long optical coherent lifetimes (T2), a fundamental parameter for QIP. In this thesis, we investigated this system at the nanoscale, which could be used to build hybrid devices where RE are coupled to other quantum systems. This work focuses on the development of Eu3+: Y2O3 particles with sub-wavelength size and on the static and dynamical contributions to Eu3+ optical linewidth. Systems with different particle and crystallite sizes were prepared using homogeneous precipitation. Optical inhomogeneous linewidths were found to decrease with high temperature annealing and reached values close to those of bulk crystals, showing that low defect concentrations can be obtained. A quasi-linear correlation with Raman linewidths was also observed. T1 population decays were measured by fluorescence and found longer than in the bulk, in good agreement with a model based on an effective refractive index model. Optical T2 were investigated by photon echo (PE) and holeburning techniques. We observed a coherence lifetime of 7.1 µs at 1.7 K in a 0.5 % Eu3+ doped sample, the highest value reported for any nanocrystal. Temperature dependence and spectral diffusion studies indicate that structure fluctuations and spin flips dominate dephasing.

La construction d’un ouvrage hydraulique commence par le choix des matériaux devant le constituer. Les sols employés pour la construction d’ouvrages hydrauliques en terre peuvent être constitués de matériaux perméables tels que les sables ou les graves ou de matériaux peu perméables tels que les argiles ou les limons. En fonction de la disponibilité des matériaux à proximité du chantier, il est alors possible d’opter pour différents types d’ouvrages (ouvrages homogènes, à noyau ou zonés). Dans tous les cas, le coût d’un ouvrage tel qu’une digue est d’autant moins élevé que les sols utilisés pour sa construction sont issus de zones proches du chantier. Lorsque des sols sont disponibles en quantité suffisante à proximité du chantier mais que leur utilisation soit risquée pour la stabilité de l’ouvrage, il peut être opportun de chercher à modifier leurs caractéristiques pour qu’ils puissent être utilisés dans les mêmes conditions de sécurité que les matériaux traditionnels. C’est autour de cette problématique que ce travail de thèse a vu le jour. En particulier, ce travail vise à étudier les améliorations apportées par un traitement à la chaux appliqué sur un sol grossier soumis à un écoulement interne afin de le stabiliser contre le phénomène de l’érosion interne. La compréhension des améliorations apportées a nécessité la mise en place d’une analyse multicritère au travers d’essais dédiées. Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes employés à développer un dispositif d’essais permettant de réaliser des essais d’érosion interne sur ce type de sol. Ce dispositif nous a permis de réaliser une étude phénoménologique sur le comportement du sol considéré, soumis à des écoulements, en fonction du sens de l’écoulement et de l’application ou pas du traitement. Par la suite une étude paramétrique a été réalisée afin de mettre en évidence l’influence des paramètres principaux : dosage de traitement, temps de cure, hauteur de l’éprouvette et surcharge. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés à l’influence de l’immersion des échantillons dans l’eau sur leur stabilité. A cet effet, l’essai de dispersion, adapté à ce type de sol, a pu être utilisé et exploité. Des essais complémentaires de résistance à la compression simple ont été réalisés afin d’estimer la perte de résistance après immersion. Ce qui nous a poussés à examiner l’existence de corrélations entre les propriétés à l’érosion et les propriétés mécaniques du sol traité / The construction of a hydraulic structure starts with the selection of the materials that will constitute it. The soils used in the construction of hydraulic earthen structures may be made of permeable materials such as sands or low permeability materials such as clay or silt. Depending on the availability of materials near the site, it is possible to choose different types of structures (homogeneous structures, core or zoned). In all cases, the cost of such a structure as a dike is even lower than the soils used for its construction come from areas near the site. When soils are sufficiently available near the construction site, but their use is risky for the stability of the structure, it may be appropriate to seek to modify their characteristics so they can be used in the same security conditions than traditional materials. It is around this issue that this thesis was born. More particularly, this research aims to study the improvements made by a lime treatment on a coarse soil subjected to internal flow to stabilize against the phenomenon of internal erosion. Understanding improvements requires the establishment of a multi-criteria analysis through dedicated tests. In the first part, we are interested in developing a testing device for performing internal erosion tests on this type of soil. This device has enabled us to realize a phenomenological study of the phenomena observed with the direction of flow and the presence or not of the treatment. Subsequently a parametric study was conducted to highlight the influence of the main parameters: treatment dosage, treatment time, height of the specimen and overload. In the second part, we studied the influence of immersion samples in water for this purpose the crumb test test was adapted for this type of soil. Additional unconfined compression tests were conducted to estimate the loss of strength after immersion. This allowed us to try couplings between the properties to erosion and soil treated mechanical properties

La présente étude avait pour but d'identifier de nouvelles stratégies pour la présentation sélective d'enzymes à la surface de nanoparticules virales dans le but d’une application potentielle dans la technologie des biocapteurs ou des puces à protéines. Les potyvirus ont été choisis comme nanosupports modèles. Les Potyvirus, le genre le plus large de la famille des Potyviridae, la seconde plus grande famille de virus de plante, sont responsables de très graves pertes dans les cultures. Ils forment des capsides flexibles en forme de bâtonnet entourant une seule molécule d'ARN positif simple brin. Les événements moléculaires conduisant à la sélection et à l'encapsidation spécifiques de l'ARN potyviral sont inconnus. Afin de mieux exploiter le potentiel de ces virus comme nanosupports, la première étape de ce travail a porté sur l’étude, in vivo, du processus d'encapsidation de l'ARN de particules de potyvirus. Des études précédentes ont montré que la protéine d'enveloppe (CP) du virus de la pomme de terre A (PVA) interfère avec la traduction de l'ARN viral lorsqu'elle est fournie en excès en trans suggérant que cela pourrait se produire pour initier l’encapsidation de l’ARN viral. Dans cette étude, nous avons montré que cette inhibition est médiée par des interactions CP-CP co-traductionnelles se produisant entre deux populations de CP, produites en trans et en cis et permettant très probablement le recrutement spécifique de l'ARN potyviral pour son encapsidation. En accord avec les études d'assemblage in vitro publiées précédemment nous proposons un mécanisme selon lequel l’encapsidation de l'ARN viral est initiée par des interactions CP-CP co-traductionnelles. Dans la deuxième partie de ce travail, différentes approches ont été testées afin d’organiser des enzymes sur les plateformes virales dans le but d’optimiser la canalisation des intermédiaires réactionnels. Parmi les trois stratégies testées seule celle utilisant un peptide qui se liant aux anticorps, le peptide z33 de la protéine A de Staphylococcus aureus a été couronnée de succès. Une couverture de 87 % des sites sur les particules de potyvirus avec l'enzyme a été obtenue. Cette stratégie a été utilisée pour piéger deux enzymes, la 4-coumarate: coenzyme A ligase (4Cl2) et stilbène synthase (STS), catalysant des étapes consécutives dans la voie de synthèse de resvératrol à partir de lysats cellulaires solubles d’E. coli clarifiés, à la surface de particules de potyvirus immobilisées sur les parois d'un tube en polypropylène. Cette stratégie rassemble les approches ascendante et descendante pour construire des nanomatériaux à base de virus et offre un moyen efficace et économique pour co-immobiliser et purifier des enzymes / The present study intended to identify new strategies for the selective presentation of biocatalysts on the surface of viral nanoparticles with potential application in biosensor technology or protein chips. Potyviruses were chosen as model nanoscaffolds for biocatalysts. Potyviruses are the largest genus in the family Potyviridae and cause significant plant damage. They form flexible rod-shaped capsids surrounding a single stranded positive sense RNA molecule. The molecular events leading to the specific selection and encapsidation of potyviral RNA are unknown. To better exploit the potential of these viruses as nanocarriers, the first step in this study was to look into their in vivo RNA encapsidation process. Earlier studies showed that Potato virus A (PVA) coat protein (CP) interferes with viral RNA translation when provided in excess in trans and it was suggested this could occur to initiate viral RNA encapsidation. In this follow up study, we used the agroinfiltration approach for the transient expression of full length, truncated or mutated viral RNAs with wild type CP (CPwt) and showed that this inhibition is mediated by co-translational CPCP interactions occurring between two CP populations, produced in trans and in cis. Because CP inhibited translation of the entire viral genome and virus particles were formed later than during normal infection, it was assumed that the CP acted during this inhibition process to specifically recruit viral RNA for encapsidation. In line with previously published in vitro assembly studies, we propose a mechanism through which viral RNA encapsidation is initiated through co-translational CP-CP interactions. The second part of this work entailed the investigation of novel approaches for organizing biocatalysts on virus platforms. The aim was to control the display of enzymes on virus surfaces while maximizing channelling of reaction intermediates. Three strategies were tested but only one involving an antibody binding peptide, the z33 peptide from Staphylococcus aureus was successful. An 87 % occupancy of accessible sites on the potyvirus particles by the enzyme was achieved. The same strategy was used to graft potyvirus particles with two enzymes: 4- coumarate:coenzyme A ligase (4CL2) and stilbene synthase (STS), catalysing consecutive steps in resveratrol synthetic pathway or a protein chimera, generated by the genetic fusion of both enzymes. This was achieved by trapping either the monoenzymes or the protein chimera from clarified soluble E. coli cell lysates on to the surface of potyvirus particles preimmobilized in a polypropylene tube. Resveratrol was synthesized from both mono-enzymes and the protein chimera in solution and on potyvirus particles. This strategy brings together a bottom-up and top down approach for designing virus based nano-materials and offers a cost effective and efficient way to co-immobilize and purify enzymes.

Après les nombreux succès de la vaccination au XXème siècle, elle se heurte aujourd’hui aux pathogènes émergents qui nécessitent le développement de nouvelles formulations vaccinales, afin d’induire des réponses immunitaires complètes, et particulièrement des réponses CD8+ cytotoxique efficaces. Nous avons développé une stratégie innovante utilisant des pseudo-particules virales (VLP) dérivées d’un rétrovirus murin, le Virus de la Leucémie Murine (MLV), comme plateforme antigénique. Ces rétroVLP sont des candidats vaccins de choix, sécuritaires en raison de l’absence de matériel génomique et facilement manipulables par génie génétique, ce qui permet de les proposer dans différentes stratégies vaccinales, et notamment contre le VIH. Notre approche consiste à utiliser comme vaccin des rétroVLP recombinantes produites ex vivo, ou l’ADN codant les protéines capables de former in situ ces rétroVLP (stratégie dite « plasmoVLP »). Les travaux antérieurs de l’équipe ont montré que la formation des rétroVLP améliorait les réponses immunitaires dirigées contre les antigènes qu’elles véhiculent, et nous avons cherché au cours de cette étude à mieux caractériser les mécanismes expliquant leur immunogénicité. Nous avons montré dans un premier temps que les rétroVLP étaient capables d’activer efficacement les cellules dendritiques in vitro et in vivo, et de déclencher des réponses aussi bien humorales que cellulaires contre les protéines d’enveloppe du VIH et contre des épitopes T insérés dans la capside. Les mécanismes d’activation des cellules dendritiques ont également été précisés par une analyse transcriptomique. De plus, la vaccination plasmoVLP, qui favorise les réponses CD8+, a aussi montré de fortes réponses cellulaires contre des antigènes tumoraux associées à des résultats de protection très encourageants, y compris dans des schémas de vaccination thérapeutiques. Par ailleurs, nous avons développé au cours de ces travaux une nouvelle stratégie consistant à moduler l’immunogénicité des rétroVLP en ajoutant dans leur structure des molécules adjuvantes, notamment des ligands des récepteurs de type Toll (TLR). Ainsi, nous avons conçu et breveté au laboratoire une molécule d’ARN simple brin que nous avons appelée ncRNA. Nous avons mis en évidence l’effet immunostimulant du ncRNA, qui est capable d’activer plus efficacement les cellules dendritiques in vitro, d’orienter les réponses CD4+ vers un profil Th1 et de promouvoir la prolifération des lymphocytes T CD8+ spécifiques des antigènes véhiculés par les rétroVLP in vitro, démontrant qu’il améliore l’efficacité de la présentation croisée. Les réponses vaccinales contre les épitopes T internes et l’enveloppe du VIH sont également augmentées en présence de ncRNA, par un mécanisme impliquant la voie des TLR. Ces travaux ont donc permis de mieux caractériser l’immunogénicité des rétroVLP, mettant ainsi en avant leur potentiel vaccinal, et démontrent l’efficacité d’une stratégie d’adjuvantation innovante et prometteuse utilisant un ligand des TLR. / After a century of success, vaccination now faces new pathogens that require the development of new formulations to induce complete immune responses, especially potent CD8+ cytotoxic responses. We developed a novel strategy based on virus-like particles (VLPs) deriving from the Murine Leukemia Virus (MLV), so-called retroVLPs, as antigen platforms. RetroVLPs are promising vaccine candidates, as they are totally safe due to the lack of any genomic material in their composition, and they can be easily manipulated by genetic engineering, which allows using them in different vaccine strategies, including against HIV. We can use retroVLPs as a vaccine by producing them ex vivo and injecting them as proteins, or by injecting the DNA plasmids that encode the structural proteins that can self-assemble in vivo (“plasmoVLP” strategy). Previous work had shown that the retroVLP formation improves immune responses against antigens they carry, and we aimed in this study to better characterize the mechanisms explaining their immunogenicity. We showed that retroVLPs efficiently activate dendritic cells in vitro and in vivo, and trigger humoral as well as cellular vaccine responses, against HIV envelope and T cell epitopes inserted in the capsid. The mechanisms of dendritic cells activation have also been specified by transcriptome analysis. Moreover, plasmoVLP vaccination, which promotes CD8+ responses, showed strong cellular responses against tumor antigens associated with good protection, including in therapeutic vaccination schemes. Otherwise, we developed during this work a new strategy in order to modulate the immune properties of retroVLPs by adding in their structure adjuvant molecules, and particularly Toll-like receptor (TLR)-ligands. Thus, we designed and patented a single-stranded RNA acting as a TLR-ligand, that we called ncRNA. We demonstrated the immunostimulating properties of ncRNA, which is able to induce a higher activation of dendritic cells in vitro when carried by the retroVLPs, and to promote Th1-biased CD4+ T cell responses as well as proliferation of CD8+ T cell specific for an internal epitope carried into the retroVLP, showing ncRNA improves the efficacy of cross-presentation. Vaccine responses against both internal epitopes and HIV envelope are also improved in the presence of ncRNA, by a TLR-dependent mechanism. This work helped to better characterize the immunogenicity of retroVLP, highlighted their vaccine potential, and demonstrate the effectiveness of an innovative and promising strategy adjuvantisation using a TLR-ligand.