Mon travail de thèse a porté sur deux sujets distincts : (i) l’application de la DNP-RMN pour les matériaux hybrides et inorganiques et (ii) le développement de méthodes RMN avancées pour sonder la structure des solides à l’échelle atomique. Dans le domaine de la DNP RMN, nous avons cherché à démontrer comment le gain en sensibilité DNP peut fournir des informations nouvelles sur la structure des matériaux. Nous avons notamment proposé un protocole DNP sans solvant. Nous avons aussi montré que la DNP est faisable pour des nanoparticules dispersées dans une solution gelée contenant des radicaux exogènes. Nous avons mis en évidence la complémentarité entre la DNP avec polarisation croisée ou polarisation directe. En outre, nous avons démontré que le gain en sensibilité DNP permet de sonder (i) les proximités 27Al-27Al au voisinage de la surface de l’alumine mésoporeuse et (ii) les proximitiés 27Al-13C dans un solide hybride microporeux, le MIL-100(Al). Nous avons aussi établi que la DNP-RMN permet d’augmenter les signaux RMN des sites 13C et 29Si de silices mésoporeuses remplies de surfactants, bien que ces sites soient situés à plusieurs centaines de nanomètres des agents polarisants. Pour ces systèmes, nous avons analysé les différentes contributions au gain en sensibilité pour des expériences CP-MAS 13C et 29Si. Mon travail de thèse a aussi conduit au développement de nouvelles méthodes RMN conventionnelles, telles que (i) un découplage dipolaire ajustable permettant d’obtenir des spectres RMN 1H haute-résolution à différentes fréquences MAS et (ii) des nouvelles séquences de polarisation croisée permettant se sonder les proximités entre noyaux quadripolaires. / My PhD work focused on two topics: (i) the extension of Dynamic Nuclear Polarization (DNP) to inorganic and hybrid materials and (ii) the development of advanced NMR methods to probe the atomic-level structure of solids. In the field of DNP NMR, we aim at demonstrating how the DNP sensitivity enhancement can provide new insights into the structure of inorganic and hybrid materials. We have introduced a solvent-free DNP alternative to post-synthesis impregnation which permits fast polarization build-up. We have also shown that DNP is feasible for nanoparticles dispersed in a frozen solution containing exogenous radicals. The complementarity of DNP cross-polarization (CP) and direct polarization (DP) has been demonstrated. Furthermore, we have demonstrated that the DNP sensitivity enhancement allows probing 27Al-27Al proximities near the surface of mesoporous alumina and 27Al-13C proximities in the microporous metal organic framework MIL-100(Al). It was also shown that in the case of functionalized mesoporous silica nanoparticles loaded with surfactants, the DNP CP-MAS can be used to enhance NMR signals of 13C and 29Si nuclei located at several hundred nanometers from the polarizing agent. In addition, we have analyzed the different contributions to the sensitivity enhancement in 13C and 29Si CP-MAS experiments of functionalized mesoporous silica nanoparticles. My PhD has also led to the development of conventional NMR methods, including (i) tunable homonuclear dipolar decoupling for 1H high-resolution NMR and (ii) novel cross polarization (CP) pulse sequence to probe proximities between half-integer quadrupolar isotopes.

Dans les systèmes de télécommunication modernes et en particulier pour l'amplification de puissance RF, le rendement est un élément clé. Il doit être le plus élevé possible pour réduire la consommation. Afin d'augmenter le rendement global d'un amplificateur de puissance, la technique de polarisation dynamique, souvent basée sur l'association d'un amplificateur et d'un convertisseur DC/DC, est couramment employée. Les transistors de type HEMT GaN délivrent des puissances importantes tout en ayant des fréquences de fonctionnement élevées, de plus leur capacité à commuter rapidement et leurs faibles pertes résistives en font d'excellents candidats à la fois pour les applications d'amplification de puissance et de commutation à haute fréquence de découpage et haut rendement tels que les convertisseurs DC/DC utilisés dans le cadre d'une polarisation dynamique.Le premier chapitre de ce mémoire est consacré aux propriétés des transistors à base de GaN et leurs intérêts pour des applications d'amplification hyperfréquence et de commutation. Leur caractérisation et modélisation sont également abordées. Le deuxième chapitre est consacré à la conception et à la caractérisation de convertisseurs DC/DC GaN à haute vitesse de découpage pour des applications de polarisation dynamique d'amplificateurs de puissance. Le troisième chapitre aborde la conception d'amplificateurs de puissance GaN à haut rendement en bande C pour des applications de télécommunication. L'association d'un convertisseur DC/DC développé au chapitre II et d'un amplificateur GaN en bande S dans le cadre de la polarisation dynamique sera également présentée et ses effets sur l'amélioration du rendement étudiés. / High efficiency is a key element in modern telecommunication systems, especially in RF power amplifiers. Efficiency has to be as high as possible in order to reduce power consumption thus minimising working cost, maximising autonomy and improve system reliability. In order to increase global efficiency of a power amplifier, dynamic biasing, based on the association of an amplifier and a DC/DC converter, is often used. GaN HEMTs enable high RF power at high frequencies, moreover their capability to switch very quickly and their low resistive losses make them good candidates for both power amplification applications and high speed, high efficiency commutation applications, like DC/DC converters used in dynamic biasing systems. The first part of this manuscript is dedicated to GaN transistors properties and their advantages compared to other semi-conductors for commutation and RF amplification applications. Their characterisation and modelling is also discussed. The second chapter is dedicated to the design and characterisation of high speed DC/DC converters for dynamic biasing applications. The last part approaches high efficiency GaN power amplifiers design in C band for telecommunication applications. The association of a DC/DC converter, designed in chapter II, and a GaN power amplifier in S band in the context of dynamic biasing is also presented and the obtained efficiency improvement is reported.

Th.--Sci. phys.--Grenoble 1, 1981. N°: 2.

Préparation et étude de nouveaux dinitroxydes comme agents de polarisation en polarisation dynamique nucléaire (PDN) en phase solide. La principale limite de la RMN, en tant qu'outil de détection ou d'imagerie (IRM), est sa faible sensibilité qui résulte principalement de la faible différence d'énergie entre les états de spin nucléaire entre lesquels on observe la résonance. A l'équilibre thermique, la polarisation nucléaire PI (différence de population entre les états de spin) est très faible et le signal RMN, qui lui est proportionnel, sera peu intense. Le but de la Polarisation Dynamique Nucléaire (PDN) est d'augmenter l'intensité de signaux de RMN, en transférant vers des spins nucléaires de la polarisation de spin électronique PS, plus élevée que celle des spins nucléaires (PS/PI = 658 pour 1H). Depuis une quinzaine d'années, la PDN connaît un regain d'intérêt et un champ de développement exceptionnels. Cette renaissance de la PDN est surtout due aux importants travaux de fond du groupe de R. G. Griffin et ceux plus récents du groupe d'Ardenkjaer-Larsen. Ces travaux ont entre autre montré qu'avec des radicaux trityl ou des dinitroxydes, la PDN pouvait permettre d'atteindre de fortes augmentations du rapport signal sur bruit, en RMN en phases solide et liquide. Les propriétés de l'espèce paramagnétique à partir de laquelle se fait le transfert de polarisation spin électronique - spin nucléaire, jouent un rôle primordial dans l'efficacité de ce transfert. Au cours de notre travail, nous avons réalisé les synthèses de cinq nouveaux biradicaux de la famille des dinitroxides. / Preparation and study of new dinitroxydes as polarizing agents in dynamic nuclear polarization (DNP) in solid state. Nowadays, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is one of the most important structure elucidation techniques in chemistry and biochemistry, NMR is also the underlying principle of magnetic resonance imaging (MRI). However, the use of NMR to investigate various materials or biological systems is still limited by its inherent low sensitivity. This arises from the relatively small size of the Zeeman interaction of the nuclear spins with an external magnetic field which leads to small Boltzmann polarizations (PI) and weak NMR signals. Dynamic Nuclear Polarization (DNP) is a prominent process to achieve a high non-equilibrium nuclear spin polarization by transferring to nuclear spins the higher electron spin polarization PS (PS/PI = 658 for 1H)) of unpaired electrons, belonging for example to stable free radicals. The past fifteen years has witnessed a renaissance in the use of DNP. This renewed interest is due to the outstanding work of the R. G. Griffin's group and the more recent work of the Ardenkjaer-Larsen's group. These authors have shown, among other, that with the use of trityl radicals or dinitroxides, PDN allowed to reach impressive signal enhancements for solid state and liquid NMR. The characteristics of the paramagnetic species used as polarizing agent play a pivotal role in the efficiency of a DNP process. In the course of our work we have performed the synthesis of five new dinitroxides, and through collaborations we tested their performance as polarizing agents for solid state PDN at 100 K, 9,4 T [263 GHz (RPE), 400 MHz (RMN)].

Le spin d'un électron piégé dans une boîte quantique d'InAs est une observable a priori bien protégée des perturbations de l'environnement solide. En particulier, les mécanismes de relaxation présents habituellement dans les matériaux massifs ou puits quantiques sont inhibés en raison de la discrétisation des niveaux d'énergie. Le spin représente de ce fait un système très attractif pour la réalisation d'une porte logique quantique dans la matière condensée. Toutefois, le fort confinement exalte d'autres mécanismes dépendant du spin. C'est le cas de l'interaction hyperfine avec les spins nucléaires.<br />Celle-ci, équivalente pour le spin électronique µa un champ magnétique aléatoire de quelques dizaines de mT d'amplitude, est à l'origine d'un mécanisme de déphasage en un temps de l'ordre de la nanoseconde.<br />Ce travail de thèse mets en lumière le rôle fondamental joué par ce couplage hyperfin lors des expériences d'orientation optique des porteurs dans des boîtes quantiques InAs dont la charge est contrôlée par une tension de grille. La spectroscopie haute résolution de la photoluminescence de boîtes uniques, ainsi que des mesures sur ensemble, résolues en temps ou en présence d'un champ magnétique, permettent de dresser un panorama assez complet. En particulier, la polarisation dynamique des noyaux et la relaxation de spin induite par l'interaction hyperfine apparaissent comme deux manifestations majeures et antagonistes du couplage hyperfin intrinsèques au système "électron-noyaux".

Depuis sa découverte, la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) a permis de grandes avancées scientifiques dans de nombreux domaines allant de la physique à la médecine. L'inconvénient majeur de la RMN est sa faible sensibilité intrinsèque, due à la très faible polarisation des spins nucléaires. Au cours de ces 20 dernières années, la Polarisation Dynamique Nucléaire (PDN) s'est développée comme technique très prometteuse permettant d'augmenter la polarisation de spin nucléaire, et l'intensité des signaux en RMN liquide ou solide de plusieurs ordres de grandeur. Dans les mêmes conditions expérimentales, la polarisation de spin de l'électron est beaucoup plus grande que la polarisation de spin nucléaire et la PDN permet le transfert de cette forte polarisation à partir d'un agent de polarisation paramagnétique (habituellement un radical libre organique) vers les noyaux avoisinants. L'augmentation de l'intensité du signal RMN (I) est caractérisé par un facteur d'exaltation ε=I(μw ON)/I(μw OFF).L'objectif principal de cette thèse est la synthèse d'agents de polarisation, de type dinitroxyde, solubles dans l'eau et très efficaces pour des expériences de MAS ssNMR/PDN. Nous avons préparé une large série de dérivés du bTurea solubles dans l'eau et leurs performances PDN ont été évaluées à différent champs magnétiques. En remplaçant les groupements méthyl des fonctions TEMPO par des cycles pyranyl, ainsi qu'en introduisant des chaînes PEG sur le linker urée, AMUPol (ε=247) et PyPolPEG2OH (ε=303) ont entre autres été obtenus. Ce sont actuellement les agents de polarisation les plus efficaces pour des expériences de MAS ssNMR/PDN en milieux aqueux. / Nowadays, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy has become a very powerful technique that can be used to address a wide range of problems, ranging from physics to medicine. The major limitation of NMR is its intrinsic low sensitivity, resulting from the very small nuclear spin polarizations observed even at high magnetic fields. During the last two decades, Dynamic Nuclear Polarization (DNP) has emerged as a very promising approach to enhance NMR signal intensities of solids and liquids by several orders of magnitude. All things being equal, electron spin polarization is much higher than nuclear spin polarization and DNP exploits the microwave-driven transfer of polarization from a paramagnetic polarizing agent (usually an added exogenous organic free radical) to the surrounding nuclei. The enhancement of NMR signal intensities (I) is characterized by the enhancement factor ε=I(μw ON)/I(μw OFF). The main objective of this PhD thesis was the development of new water-soluble dinitroxides, highly efficient polarizing agents for MAS solid-state NMR/DNP applications. We have designed and prepared a large series of water-soluble bTurea (TEMPO-N(H)-C(O)-(H)N-TEMPO), derivatives, and their DNP performance was tested at different magnetic fields (mainly 9.4 T). Replacing the methyl groups of TEMPO moieties with pyranyl rings, and introducing PEG chains on the urea linker we obtained, among others, two derivatives, AMUPol (ε = 247) and PyPolPEG2OH (ε = 303) which are currently the most efficient water-soluble polarizing agents for MAS ssNMR/DNP experiments for aqueous media.

Le but de ce projet de thèse a été d’établir une nouvelle méthodologie permettant d’immobiliser des espèces paramagnétiques sur des silices mésoporeuses afin d’optimiser le processus de polarisation dynamique nucléaire. Pour ce faire, différentes matrices polarisantes, nommées HYPSO pour « HYbrid Polarizing SOlids », ont été préparées par un procédé sol-gel. Ces solides sont hautement poreux et des espèces paramagnétiques y sont liées de manière covalente. Un des avantages notable de cette méthode consiste à s’affranchir « d’agent glaçant » en raison d’une répartition homogène et aléatoire des radicaux à la surface des matériaux. Deux types de matrices polarisantes, HYPSO 2 et HYPSO 3 ont révélé des polarisations distinctes : P(1H)= 50% et P(1H)= 63%. Cette différence a été expliquée par l’influence de la matrice de silice qui offre de meilleures performances lorsque sa porosité est interconnectée dans les 3 dimensions de l’espace. Suite à ces résultats, de nouveaux matériaux (HYPSO 5) ont été préparés. L’influence de la taille des pores ainsi que celle des grains de silice sur la polarisation ont été étudiées. Des performances remarquables : P(1H)= 99% (± 5%) et P(13C)= 51 % ont été enregistrées, témoignant ainsi de l’efficacité de cette nouvelle méthode. De plus, les premières images IRM utilisant les HYPSO 5 en tant que matrices polarisantes ont été obtenues après hyperpolarisation d’une solution d’acétate de sodium de référence. Enfin, nous nous sommes intéressés à une nouvelle formulation basée sur des xérogels de silice. Des résultats préliminaires ont montré de bonnes polarisations avec la capacité d’utiliser un même monolithe pour polariser différents liquides / The goal of this PhD project was to develop a new methodology allowing to immobilize paramagnetic species on mesoporous silica in order to optimize the dynamic nuclear polarization process. For this purpose, different polarizing matrices, denoted as HYPSO for “HYbrid Polarizing SOlids”, were prepared through a sol-gel process. These solids are highly porous and paramagnetic species are covalently attached onto the surface. One of the noticeable benefit of this method lies in the possibility to remove the “glass forming agent” because of a homogeneous and random repartition of the radicals onto the surface of these materials. Two types of polarizing matrices, HYPSO 2 and HYPSO 3 gave distinct polarizations: P(1H)= 50% and P(1H)= 63%. This difference was explained by the influence of the silica matrix which provides better performances when its porosity is interconnected in the 3 dimensions of the space. Following these results, new materials (HYPSO 5) were prepared. The influence of the pore sizes as well as those of the silica grains on the polarization were studied. Remarkable performances: P(1H)= 99% (± 5%) et P(13C)= 51 % were recorded, thereby demonstrating the efficiency of this new method. Moreover, the first MRI pictures using HYPSO 5 as polarizing matrices were obtained after hyperpolarization of a sodium acetate solution. Finally, we were interested to a new formulation based on silica xerogels. Preliminaries results showed good polarizations and the ability to use only one monolith to polarize different liquids

La spectroscopie de RMN des solides est une méthode de choix pour la caractérisation de la structure et de la dynamique à l'échelle atomique des matériaux ordonnés et désordonnés. Cependant, l'utilisation de cette technique est limitée par son manque de sensibilité qui empêche l'observation de la surface des matériaux, souvent responsable de leurs propriétés chimiques. Il a été récemment montré que la Polarisation Nucléaire Dynamique (en anglais, Dynamic Nuclear Polarization, DNP) dans les conditions de rotation à l'angle magique (en anglais Magic-Angle Spinning, MAS) permet de surmonter cette limitation. Cette technique permet d'augmenter la sensibilité de la RMN de plusieurs ordres de grandeur. Elle consiste à transférer la polarisation élevée des électrons non-appariés vers les noyaux grâce une irradiation micro-onde. L'objectif de cette thèse consiste à appliquer la MAS-DNP pour sonder la structure de matériaux nanostructurés inorganiques et hybrides. Ces nouvelles informations faciliteront l'amélioration raisonnée de leurs propriétés. Deux classes de matériaux ont été étudiées : des nanoparticules (NP) de silice fonctionnalisées avec des chaînes siloxane et deux formes d'alumine. Les NP de silice fonctionnalisées permettent d'accroître la durée de vie des piles à combustible. Grâce au gain en sensibilité offert par la DNP, il a été possible de sonder les connectivités et les proximités 29Si-29Si dans ces matériaux et ainsi d'élucider le mode de condensation des chaînes siloxane à la surface des NP de silice. La seconde classe de matériaux étudiés comprend deux formes d'alumine : l'alumine- et l'alumine mésoporeuse. La première est largement utilisée dans l'industrie comme catalyseur, support de catalyseur et adsorbant, tandis que la seconde est un matériau prometteur du fait de sa porosité contrôlée et de son accessibilité élevée. Néanmoins, la structure de ces alumines est toujours largement débattue car elles ne forment pas des monocristaux. Grâce à une meilleure compréhension des performances de la MAS-DNP, conduisant notamment à une optimisation de la préparation des échantillons, il a été possible de compenser la très faible efficacité des expériences 27Al sélectives de la surface. La structure de la surface d'alumine a été sondée par des expériences RMN avancées à deux dimensions et une nouvelle expérience a été proposée pour l'observation sélective du cœur de l'alumine. Afin d'obtenir davantage d'informations sur les proximités 27Al-27Al, nous avons cherché à mieux comprendre les séquences de recouplage dipolaire homonucléaire pour des noyaux 27Al. Pour ce faire, la dynamique de spin au cours de ces séquences a été analysée par la théorie de l'hamiltonien moyen et des simulations numériques. En résumé, au cours de cette thèse, nous avons montré comment la MAS-DNP ouvre de nouvelles perspectives pour l'étude des matériaux nanostructurés. / Solid-state NMR spectroscopy is a powerful analytical technique to characterize the atomic-level structure and dynamics of both ordered and disordered materials. However, its main limitation is the lack of sensitivity, particularly preventing studies on the surface of materials, an important region determining their chemical properties. It has been recently shown that Magic Angle Spinning Dynamic Nuclear Polarization (MAS-DNP) could overcome this difficulty. This technique can provide an enhancement of NMR sensitivity of many orders of magnitude. It is based on the partial microwave-driven transfer of the large intrinsic polarization of electron spins to nuclear spins, making impractical NMR experiments feasible. The aim of this work is to use this MAS-DNP technique to help gain new insights into the structure of inorganic and hybrid nanostructured materials. Such knowledge will facilitate the rational improvement of their properties. Two classes of materials are investigated. The first ones are siloxane-functionalized silica nanoparticles (NPs), which can be used to extend the working durability of fuel cells. Owing to the sensitivity enhancement achieved by MAS-DNP, the condensation network structure of siloxanes bound to the surface of silica NPs could be elucidated using 29Si-29Si homonuclear correlation NMR experiments. The second class of investigated systems encompasses two forms of aluminas, -alumina and mesoporous alumina. The former is widely used in industry as a catalyst, catalyst support, and adsorbent, whereas the latter is a promising material owing to its highly controlled porosity and its high surface accessibility. Nevertheless, their structures are still under heavy investigation since they do not form single crystals. Due to an improved comprehension of MAS-DNP performance, including optimized sample preparation, the obstacle of extremely low efficiency for surface-selective 27Al NMR experiments is circumvented. Sophisticated two-dimensional NMR experiments are employed to provide selective insights into structures on the surface and a new experiment is proposed to study only the bulk of these materials. For achieving further information on the spatial proximities between different 27Al sites, a thorough understanding of homonuclear dipolar recoupling pulse sequences for half-integer quadrupolar nuclei is required. In order to do this, Average Hamiltonian theory and numerical simulations are used to analyze the spin dynamics resulting from these pulse sequences, giving insights into their relative performances. Overall, it is shown that the use of MAS-DNP can be crucial for the characterization of state-of-the-art materials, highlighting the future importance of this technique.

La détermination structurale supramoléculaire de solides organiques est d'une importance capitale pour la compréhension de leurs propriétés et de leur fonction. Des informations structurales à l’échelle atomique peuvent en principe être obtenues pour des composés en phase solide par la spectroscopie RMN (résonance magnétique nucléaire) combinée à la rotation de l’échantillon à l’angle magique (MAS). Cette technique est cependant confrontée à de fortes limitations de sensibilité, notamment en raison de la faible abondance isotopique naturelle (AN) d’isotopes clés, comme le carbone-13 et l’azote-15 (respectivement 1,1% et 0,37%).Une amplification de la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur peut être obtenue avec la polarisation nucléaire dynamique (DNP), technique basée sur le transfert de polarisation des spins électroniques aux spins nucléaires. Les progrès récents dans la mise en œuvre pratique de la DNP ouvrent de nouvelles voies passionnantes, explorées dans cette thèse, pour la détermination de la structure des solides organiques.La première étape d’une étude structurale par RMN consiste en l'attribution spectrale des résonances. Malgré la faible AN des isotopes 13C et 15N, nous montrons dans ce travail que l’attribution complète de ces résonances pour un assemblage à base d’un dérivé de Guanosine est possible, grâce à l’utilisation d’expérience de corrélation multidimensionnelle 13C-13C et, pour la première fois, de spectre de corrélation 13C-15N.L'accent est alors mis sur l'obtention d'information structurale sous la forme de distances carbone-carbone et carbone-azote à partir d’expériences de transfert d’aimantation (expériences dites de « recouplage dipolaire »). Plusieurs stratégies sont discutées pour l’obtention de courbes de transfert d’aimantation sur des échantillons en AN. La dilution naturelle des isotopes 13C et 15N présente ici un avantage décisif pour ces mesures en réduisant de manière importante la troncature dipolaire, ce qui permet un transfert de polarisation sur de longues distances sans perturbation engendrée par la présence d’un troisième spin. Il en découle une description simplifiée de la dynamique de spin qui peut ainsi être facilement reproduite par des simulations numériques. Cette approche est démontrée expérimentalement sur des nanotubes du peptide diphénylalanine cyclique auto-assemblé (cyclo-FF). Les courbes de transfert d’aimantation 13C-13C et 13C-15N obtenues sont effectivement sensibles à de longues distances allant jusqu'à ~ 7 Å, et sont en excellent accord avec les simulations basées sur la structure cristalline du cyclo-FF. De plus, chaque courbe de transfert d’aimantation est constituée d’une superposition de contributions multiples intra et intermoléculaires, et contiennent donc une information structurale très riche.Il est ensuite montré que le contenu élevé de l'information contenu dans ces courbes de transfert d’aimantation et leur description théorique simple permettent de déterminer à la fois la structure moléculaire et la structure supramoléculaire du cyclo-FF. Ceci est réalisé à l'aide d'un code de calcul dédié qui crée de manière systématique des modèles structuraux par translation/rotation moléculaire et différentes symétries possible de la maille cristalline. Ces modèles sont ensuite classés en fonction de leur accord avec les données expérimentales.La thèse conclut en présentant des améliorations méthodologiques pour la séquence d'impulsions de recouplage dipolaire homonucléaire SR26. Cette séquence est particulièrement puissante pour une utilisation sur des échantillons en AN. Ces améliorations permettent une augmentation de l'efficacité du recouplage et l'acquisition de spectres de corrélation 2D avec de larges fenêtres spectrales.En résumé, cette thèse démontre que l'utilisation d'échantillons organiques en AN présente d’importants avantages pour leur étude structurale par RMN en phase solide qui devient possible avec la technique de DNP sous MAS. / Supramolecular structure determination of organic solids is of utter importance for understanding their properties and function. Structural insights at the atomic level can be provided by magic-angle spinning (MAS) solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. However, this technique faces strong limitations in sensitivity due to the low natural isotopic abundance (NA) of the key nuclei 13C and 15N (1.1 % and 0.37 %, respectively). Sensitivity enhancement by several orders of magnitude can be achieved with dynamic nuclear polarization (DNP) which is based on polarization transfer from electron to nuclear spins. The recent progress in the practical implementation of DNP opens up new and exciting possibilities for structure determination of organic solids which are explored in this thesis.The first step for structural studies with NMR is resonance assignment. The complete assignment of 13C and 15N resonances at NA is demonstrated here to be feasible based on DNP-enhanced 13C-13C and, for the first time, 13C-15N correlation spectra.The focus is then laid on obtaining structural information in the form of carbon-carbon and carbon-nitrogen distances from the buildup of polarization in dipolar recoupling experiments. Several strategies are discussed for recording such polarization buildup curves at NA. A decisive advantage of these measurements is that dipolar truncation is reduced to a great extent in samples at NA, enabling undisturbed polarization transfer over long distances and a simple description of the spin dynamics by numerical simulations. This is demonstrated experimentally on the self-assembled cyclic diphenylalanine peptide (cyclo-FF). The 13C-13C and 13C-15N buildup curves obtained are indeed sensitive to long distances (up to ~ 7 Å) and are in excellent agreement with the crystal structure of cyclo-FF. Moreover, each buildup curve represents a superposition of multiple intra- and intermolecular distance contributions and can therefore provide a wealth of structural information.It is subsequently shown that the high information content and the simple theoretical description of such polarization buildup curves enables determination of both the molecular and the supramolecular structure of cyclo-FF. This is achieved with the help of a dedicated computational code which creates structural models based on a systematic grid-search and ranks them according to their agreement with the experimental data.The thesis concludes by presenting improvements for the homonuclear dipolar recoupling pulse sequence SR26 which is a powerful sequence for use in NA samples. These improvements enable increased recoupling efficiency and the acquisition of 2D correlation spectra with large spectral widths.Overall, this thesis demonstrates that clear advantages lie in the use of NA samples for structural studies of organic solids, and that MAS-DNP enables structure determination which is mainly based on distance information from NMR data.

Cette thèse porte sur deux aspects de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) à bas champ (0.2 T) : la recherche de nouveaux contrastes liés à l'interaction entre la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et l'acoustique (élastographie, interaction spin-phonon) et l'augmentation du rapport signal-sur-bruit par Polarisation Dynamique Nucléaire (PDN). L'Elastographie par Résonance Magnétique (ERM) permet de retrouver certaines propriétés viscoélastiques des tissus par visualisation de la propagation d'ondes acoustiques transverses à basse fréquence. Une revue sur l'ERM est présentée, ainsi qu'une étude sur la mesure locale du coefficient d'absorption acoustique. La partie suivante est consacrée à l'interaction IRM-ultrasons. Le transducteur ultrasonore a d'abord été calibré en puissance et en champ acoustique en comparant deux méthodes : la méthode de la force de radiation (méthode de la balance) et l'interférométrie laser. Nous avons ensuite tenté de modifier le T1 des tissus par interaction spin-phonon due à l'application d'ultrasons à la fréquence de résonance à 0.2 T, soit environ 8.25 MHz. Aucune modification du contraste T1 n'a été obtenue, mais le phénomène de courant acoustique a pu être observé dans les liquides. La visualisation par IRM de ce courant pourrait permettre de calibrer les transducteurs ainsi que de retrouver certaines propriétés mécaniques des fluides visqueux. Le but de la dernière partie était la mise en place d'expériences de PDN à 0.2 T dans le but d'augmenter le signal RMN. Cette méthode de double résonance est basée sur le transfert de polarisation des électrons non-appariés de radicaux libres vers les protons de l'eau environnants. Ce transfert s'effectue par relaxation croisée lors de la saturation d'une transition électronique par Résonance Paramagnétique Electronique (RPE). Deux cavités de RPE opérant à 5.43 GHz ont été testées sur des radicaux libres d'oxo-TEMPO (nitroxyde). Un gain en signal RMN d'un facteur 30 a pu être obtenu lors de ces expériences préliminaires.