Ce travail de recherche prédictive, couplé à des synthèses expérimentales, a pour but d'anticiper la bonne adéquation entre un nouveau polymère donneur de type P3HT et un composé accepteur innovant à base de graphène. Cette étude a notamment porté sur i) la bande d'absorption du polymère donneur « low band gap », ii) sa robustesse face à la dégradation (cristallinité, résistance à l'oxydation), iii) la modulation des propriétés électroniques d'un dérivé de graphène (accepteur) en adéquation avec le donneur. Les résultats montrent que les polythiophènes ayant un substituant éther OR permettent l'amélioration de la conjugaison, de la rigidité, de la cristallinité et de la photostabilité tout en étant électroniquement compatible avec l'hexabenzocoronène fonctionnalisé (acide caorboxylique). De plus, ce nouvel accepteur sera pleinement compatible avec une électrode de graphite grâce à sa prédisposition à l'empilement colonnaire. / This predictive research work, combined with an experimental study, aims at anticipate the behavior of a new donor :acceptor pair constituted by a P3HT-type of polymer and an innovative graphene-based acceptor material (HBC). This study is particularly interested in i) the absorption band of the donor (a « low band gap » polymer) and ii) its resistance towards degradation (cristallinity, oxidation stability), and finally iii) the modulation of the electronic properties of the acceptor, in keeping with those of the donor. Results show that polythiophenes grafted with an –OR group improve both conjugation, rigidity, cristallinity and photostability, in addition to their great electronic compatibility with functionalized HBCs. Besides, this new acceptor material will be fully compatible with a graphite electrode, thanks to its columnar structuration.

Depuis une décennie, dans le domaine de la nanomédecine, les recherches s’orientent de plus en plus vers l’élaboration de nanomatériaux multifonctionnels avec l’espoir d’améliorer la précision des diagnostics ou encore l’efficacité des traitements à mettre en place. Dans ce contexte, notre travail visait à mettre en œuvre des nanoparticules hybrides Au@SiO2 de type cœur-coquille associant les propriétés photothermiques de la phase métallique à la fonction délivrance de médicaments du réseau inorganique poreux. Avec le greffage d’obturateurs organiques à l’entrée des pores de la silice, ces assemblages deviennent dès lors de véritables nanosystèmes « mécanisés ». La première partie du travail a donc concerné la synthèse du cœur du nanomatériau (nanoparticules d’or creuses appelées « nanoshells ») réalisée par un procédé de remplacement galvanique. L’influence des paramètres de synthèse sur la morphologie et la structure, sur l’état de surface ainsi que sur les propriétés optiques des nanoparticules a été largement discutée ici. Après la coupe transverse des nanoshells ainsi élaborées, les techniques d’analyse de surface (XPS, AES) ont permis de préciser la formation d’un alliage Ag-Au de composition hétérogène. L’élaboration d’une coquille de silice mésoporeuse autour des cœurs métalliques a ensuite été réalisée. Après avoir démontré le potentiel de ces nanoparticules pour le confinement moléculaire, les nano-objets Au@SiO2 ont finalement été fonctionnalisés par des assemblages supramoléculaires constitués d’un diaminoalcoxysilane (greffé à la surface) en interaction avec un macrocycle. Le couplage spécifique des techniques XPS et RMN a permis de caractériser précisément la fonctionnalisation. Une ouverture à ce travail a été initiée vers des systèmes davantage biocompatibles avec l’élaboration cette fois-ci d’une coquille hybride polymère/silice. Une première série de tests in vitro a permis d’explorer l’impact et l’interaction des nanoparticules avec des cellules de type HaCaT et a montré tout le potentiel de la poly-L-lysine dans cette approche. Cette étude originale propose de nouvelles informations dans l’étude des systèmes nanostructurés avec une caractérisation physico-chimique appropriée qui signale l’importance des phénomènes aux interfaces au sein de l’architecture hybride. Les perspectives visent maintenant à une optimisation fonctionnelle de ces nano-objets pour des applications en nanomédecine. / Nowadays, in the field of nanomedecine, the major challenge is to design multifunctional nanomaterials in order to improve diagnosis and treatment efficiency. In this context, our work has concerned the conception of hybrid Au@SiO2 core-shell nanoparticles combining the photothermal properties of the gold core and the drug delivery function associated with the inorganic porous network. The entrance pore functionalization with gatekeepers leads finally to mecanized nanosystems. The first part of the work has concerned the core material synthesis (hollow gold nanoparticles called « nanoshells ») which has been achieved by a galvanic replacement reaction. The influence of synthesis parameters on the structure, the morphology and on the optical properties has been studied. Moreover, the analysis of a nanoparticle cross-section by XPS and AES has evidenced the formation of a heterogeneous Ag-Au alloy. Then, the growth of a mesoporous silica shell on the metal cores has been conducted leading to Au@SiO2 nanomaterials. After demonstrating the potential of these core-shell nanoparticles for hosting molecules, the nano-objects have been functionalized with supramolecular nanovalves based on a diaminoalkoxysilane (grafted on the silica surface) interacting with a macrocycle. The combination of XPS and NMR allowed us to characterize precisely the functionalization. In a last section, we have been interested in the design of biocompatible systems with the elaboration of a hybrid polymer/silica shell. The in vitro effect and interaction of nanoparticles with HaCaT cells have been studied; the first results have demonstrated a real interest for using poly-L-lysine in these systems. This original study offers new details about the physico-chemical characterization of nanostructured systems which highlights the important role of interfaces in hybrid materials. The perspectives will concern the optimization of the synthesized nanosystems for direct nanomedicine applications.

Les biofloculants sont une alternative durable aux sels métalliques et aux polymères de synthèse pour le traitement des eaux par coagulation floculation (CF). La littérature a surtout décrit les paramètres optimaux pour l’application des matériaux biosourcés en CF. En étudiant deux exemples, Opuntia ficus indica, connu pour ses propriétés coagulantes et les margines, un déchet peu valorisable issu de la trituration des olives, nous proposons une méthodologie pour déterminer la nature des molécules actives et appréhender le mécanisme de CF impliqué. L’expérimentation a été menée sur un effluent synthétique à base de kaolinite. Les conditions optimales de CF, ont été déterminées par la méthode classique du jar test couplée à de la zétamètrie et de la microscopie. Pour les margines, les conditions optimales sont obtenues pour un pH de 11 et une dose d’extrait de 62.5 mg L-1. La couleur des margines impose néanmoins l’utilisation de 50 mg L-1 de coagulant métallique (Al2 (SO4)3). Nous avons ensuite basé notre étude sur une approche comparative de différentes fractions hydrosolubles en fonction du pH, dans les deux cas les molécules actives ont montré une solubilité maximale au pH optimal de CF. La détermination des pKa, la réalisation de dosages colorimétriques (protéine, sucres, polyphénols, tanin) et l’analyse infrarouge du matériel brut a permis d’envisager les familles de molécules impliquées (dans les deux cas, les tanins / flavonoïdes et les sucres). Des expériences de CF effectuées après digestions enzymatiques permet de confirmer l’identification des molécules impliquées dans le mécanisme. Ainsi la CF se fait par adsorption et pontage pour les deux matériaux. La faisabilité du traitement d’eaux résiduaires (industrie textile, lixiviat de décharge) par des extraits d’Opuntia ficus indica a été validé. Les tanins/ flavonoïdes et particulièrement la quercétine pour le cactus, s’adsorbent sur les colloïdes de l’effluent puis un polymère d’amidon (cactus) ou de cellulose (margine) permet la floculation par adsorption et pontage. / Biofloculants represent a sustainable alternative to metal salts and to synthetic polymers for water treatment by coagulation flocculation (CF). The optimal parameters of biomatrerials applicated in CF were mainly described by literature data. Opuntia ficus indica, known for its flocculating properties and olive mill waste (OMW), which its reuse not deeply examined, were chosen in our study. A methodology was proposed in order to determine the nature of the active molecules and to better understand the involving mechanism in CF. The experiment was conducted on a synthetic water based on kaolinite. The optimal conditions of CF were determined by jar test coupled with zeta potential and microscopy. For OMW, the optimum conditions are obtained for a pH of 11 and an extract dose of 62.5 mg L-1. The removal of OMW colors requires the use of 50 mg L-1 of a metal coagulant (Al2 (SO4)3). Afterwards, our study was based on a comparative approach of different water-soluble fractions as function of pH. The active molecules showed a maximum solubility at the optimal pH of CF, in both cases. The characterization of the raw materials by pKa, colorimetric assays (proteins, sugars, polyphenols and tannins) and the infrared analysis allowed to determine the molecules involved in CF (In both cases, tannins / flavonoids and sugars). CF experiments performed after enzymatic approach confirm the identification of molecules involved in the mechanism and suggest that the two materials operate through an adsorption and bridging mechanism. The efficiency of wastewater treatment (textile industry, landfill leachate) by Opuntia ficus indica extracts has been validated. Tannins/ flavonoids and especially quercetin for cactus promotes a colloidal material destabilization (coagulant) through anion exchanges and bridges; otherwise, the starch (cactus) or cellulose (OMW) forms a large cross-linked polymeric network responsible for bridging.

Les infections nosocomiales liées aux dispositifs médicaux, et plus particulièrement ceux de la perfusion, sont un problème majeur dans le milieu hospitalier. Ces infections sont liées à la présence de biofilm. Pour lutter contre le biofilm, les mesures préventives en hygiène ne sont pas suffisantes. Les recherches se dirigent vers la modification des surfaces des matériaux des dispositifs médicaux: ajout de substances biocides, développement de surfaces antiadhésives par voie chimique ou topographique. L’objectif de cette thèse est de créer des polymères nanostructurés pouvant entrer dans la composition de dispositifs médicaux de la perfusion et de tester leur impact sur l’adhésion bactérienne et le développement du biofilm. Dans un premier temps, la technique de nanostructuration choisie repose sur la réplication d’un moule nanostructuré en alumine nanoporeuse qui se caractérise par des nanopores auto-organisés en nid d’abeille. Après avoir mis en place une station d’anodisation permettant la nanostructuration de ce moule, la reproductibilité du procédé de fabrication a été validée (diamètre des pores : 51 ± 6 nm, profondeur: 97 ± 9 nm, espace interpores: 102 ± 6 nm). Ensuite, les travaux de réplication ont été effectués avec le polymère ABS (acrylonitrile-butadiène-styrène). Plusieurs méthodes de réplication ont été testées à partir de dépôt de solutions de polymères ou de fonte du matériau sur le moule d’alumine. La méthode sélectionnée sur des critères de reproductibilité et de facilité de transposition industrielle donne des nanostructures de type nanopicots (diamètres des picots : 56 ± 7 nm, distances interpicots : 101 ± 16 nm, longueurs : 73 ± 33 nm). Les surfaces développées sont ensuite caractérisées (MEB, DSC analyse calorimétrique différentielle, spectrométrie Infra Rouge, angle de contact). La fabrication des nanostructures ne semble pas dégrader le matériau ABS et la modification topographique rend la surface plus hydrophile. Une étude de stabilité montre que les nanostructures résistent à plusieurs modes de stérilisation (oxyde d’éthylène, plasma H2O2 et rayon Beta) et sont conservés dans le temps, ce qui les rend applicables à la surface d’un dispositif médical. La seconde étape du travail consiste à évaluer l’adhésion bactérienne sur les surfaces témoins et nanostructurées. Différents tests de culture de biofilm ont été réalisés avec S. epidermidis en conditions statique ou dynamique. Après un temps de 3 à 48h, les bactéries sont décrochées de la surface puis dénombrées sur gélose. Il n’y a pas de différence significative d’adhésion bactérienne entre les deux types de surface. L’observation en microscopie électronique à balayage et confocale à 24h semble confirmer ce résultat. Des tests réalisés avec d’autres souches bactériennes (S. aureus, K. pneumoniae, P. aeruginosa) en condition statique montrent également que l’adhésion est également identique sur les deux surfaces. Par conséquent, nous pouvons conclure que nos surfaces ABS développées avec ces nanopicots spécifiques n’ont pas un effet anti-adhésion sur les bactéries testées. Des recherches récentes mettent en évidence que l’espacement entre les nanopciots est un facteur critique sur l’adhésion bactérienne. L’étape suivante de notre travail consiste à tester de nouvelles nanostructures réalisées avec un moule AAO ayant une distance interpore plus grande. / Medical device-related infections are a public health concern and an economic burden. The role of biofilms in medical device-related infections is clearly established. Preventive hygiene measures are not often sufficient to prevent biofilms formation. One promising way of preventing device-related infections is the development of medical devices with surfaces or materials that reduce either microbial viability using biocidal substances or microbial adhesion with topographical modifications.Developing nanostructured polymeric surfaces, which could have applications in medical devices, and testing their impact on bacterial adhesion and biofilm development were the main goals of this thesis. First of all, the polymer was replicated on an aluminum anodized oxide nanostructured mold (AAO), characterized by highly ordered nanopores. An anodization station was made in order to create molds. Then, the reproducibility of the process fabrication was validated (pore diameter: 51 ± 6 nm, deepness 97 ± 9 nm, interpore espace: 102 ± 6 nm). Several replication techniques with ABS were tested including polymers solutions and melted polymers. The selected method was the one with the most reproducible results pillar diameter: 56 ± 7 nm, interpillar distance: 101 ± 16 nm, length: 73 ± 33 nm) and the most representative of industrial injection processes. The created surfaces were then characterized (MEB, DSC, ATR-FTIR, wettability). The fabrication process does not seem to degrade the ABS material and the topographical change increases the hydrophilicity of the surface. A stability study showed that the nanopillars were resistant to several sterilization processes (ethylene oxide, H2O2 plasma, Beta irradiation) and were maintained through time, which is an important element for applications in medical-devices.The second step of our work consisted of assessing bacterial adhesion on control and nanostructured ABS samples. Several biofilm tests were made with S. epidermis in static and dynamic conditions. Between 3 and 48 hours of culture, bacteria were removed from the surfaces and then viable plate counting was performed. No significant differences were observed between the samples. Microscopic observations (MEB, CSLM) seemed to confirm this result. Other bacteria with different morphologies were tested (S. aureus, K. pneumoniae, P. aeruginosa): bacterial adhesion was similar for the two surfaces. Therefore, we can conclude that our developed ABS surfaces with these specific nanopillars do not have an anti-adhesion effect on the tested bacteria. Recent researches showed that spacing between nanopillars is a critical factor on bacterial adhesion. The following step of our work would be to test new nanostructures using AAO molds with bigger interpore distance.

L’objectif de ce travail est d’adapter une formulation dispersante mise au point par la société Mäder à la dispersion de carbonate de calcium (CaCO3) dans une résine polyester insaturée (UP). Le carbonate de calcium est utilisé en tant que charge dans les matériaux composites à matrice thermodurcissable et en particulier dans les SMC (Sheet Molding Compound). Le rôle de cette formulation est de diminuer les viscosités de résines UP fortement chargées tout en conservant voire en améliorant les propriétés mécaniques des composites formés par un renforcement de l’interface charge / matrice. Trois grands axes ont été développés au cours de ce travail : - le comportement rhéologique d’un mélange CaCO3/résine UP a été déterminé et la formulation dispersante a été optimisée ; - la nature des interactions entre les différents constituants de la formulation dispersante et la surface du CaCO3 a été mise en évidence ; - de nouveaux polymères permettant une dispersion plus efficace de la charge dans la résine ont été synthétisés. Le mélange CaCO3 / résine UP présente un comportement rhéologique complexe. L’optimisation de la formulation dispersante a permis d’augmenter de plusieurs pourcents le taux de charge tout en conservant des viscosités inférieures à celle autorisée par le procédé industriel. L’étude des interactions des constituants de la formulation avec le carbonate de calcium a permis de déterminer les fonctions les plus réactives et de comprendre leur interaction avec la surface de la charge. La synthèse de nouveaux dispersants a également été effectuée. Ces derniers ont ensuite été testés dans l’application et ont montré une efficacité à disperser le CaCO3 dans la résine UP. / The aim of this study is to adapt a dispersive formulation developed by the Mäder group to the dispersion of calcium carbonate (CaCO3) in an unsaturated polyester resin (UP). The CaCO3 is commonly used as filler in the domain of composites especially for Sheet Molding Compound (SMC). This dispersive formulation is able to decrease the viscosity of UP resin containing a high amount of filler. In addition, the mechanical properties of composites could be increased by reinforcing the filler / matrix interface. Three main ways have been studied: - characterization of the rheological behavior of CaCO3 / polyester blends and optimization of the dispersive formulation ; - determination of the interactions between the dispersive formulation components and the CaCO3 surface ; - synthesis of new polymers in order to improve the CaCO3 dispersion in an organic matrix. A complex rheological behavior has been observed for CaCO3 / polyester blends. The dispersive formulation improvement led to an increasing of the filler percentage by keeping the viscosity under the industrial limit. The most reactive functions with the CaCO3 surface have been identified by studying the interactions between the dispersive formulation components and the CaCO3 surface. New dispersing agents have been synthesized. Their efficiency has been demonstrated for the dispersion of CaCO3 in a UP resin.

La fabrication de surfaces polymères complexes avec des chimies et des topographies contrôlées à l’échelle micro et nanométrique est en pleine expansion en raison de la large gamme d'applications. Une nouvelle méthode prometteuse consiste à utiliser la photopolymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP2) qui exploite une alcoxyamine photosensible (AA).Pour démontrer le potentiel de fabrication de surfaces de polymères complexes, un film de polymère a d'abord été formé en irradiant avec une formulation contenant un mélange de monomère acrylique et l’alcoxyamine. Ensuite, le dépôt d'un second monomère acrylique sur ce film durci peut redémarrer une nouvelle réaction de photopolymérisation du fait de la présence d'alcoxyamines à la surface. Les radicaux peuvent être réactivés par exposition aux lampes UV et permettent de commencer un nouveau procédé de polymérisation. Une autre alternative est d'utiliser l’écriture directe par laser pour produire des structures en 2D ou 2.5D de polymère, en déplaçant le faisceau laser sur la surface de l'échantillon.Un soin particulier a été axé sur l'impact de paramètres photoniques et chimiques sur le processus de repolymérisation. Les mécanismes moléculaires qui régissent la repolymérisation pourraient être déduits de cette étude.Certaines applications montrent le potentiel de l'alcoxyamine pour générer des surfaces hydrophiles / hydrophobes ou fluorescentes pour des applications avancées. / The fabrication of complex polymer surfaces with controled chemistry and topography at the micro and nanoscale has drawn a huge attention during the last years due to the wide range of applications. A promising new method consists in using the nitroxide mediated photopolymerization (NMP2). this method exploits a photosensitive alkoxyamine (AA) that creates latent reactive radical species.To demonstrate the potential for fabrication of complex polymer surfaces, a polymer film was first formed by irradiating with a formulation containing a mixture of acrylic monomer and alkoxyamine. Then, depositing a second acrylic monomer over this cured film can reboot a new photopolymerization reaction due to the presence of alkoxyamines at the surface. The radicals can be reactivated by exposure to UV and start a new polymerization process. Another alternative is to use UV-laser direct writing to produce 2D or 2.5D polymer structure by displacing the laser beam at the surface of the sample.A special care was focused on investigating the impact of photonic and chemical parameters on the extend of the repolymerization process. The molecular mechanisms governing the repolymerization could be deduced from this study.Some applications are provided showing the potential of the alkoxyamine for generating hydrophilic/hydrophobic or fluorescent surfaces for advanced applications.

Beaucoup d’applications en ingénierie demandent l’utilisation de matériaux intelligents qui peuvent se déformer en réponse à un stimulus extérieur. C’est dans ce contexte, que s’est posé ce projet de recherche. Bénéficiant d’un environnement pluridisciplinaire, grâce à l’association de deux axes de l'Institut Pascal : l’axe MMS (Mécanique, Matériaux et Structures) et l’axe PHOTON (Axe Photonique, Ondes, Nanomatériaux), cette thèse s’intègre parfaitement dans l’action transversale "Matériaux et Modélisations multi-échelles" du laboratoire. La première partie de ce travail s'appuie sur un système expérimental mis au point par une équipe américaine [Chang_10] qui permet la mesure sans contact du pH d'une solution en exploitant les caractéristiques photoniques du système. Ce système est composé d'un réseau d'hydrogel fixé sur un substrat rigide. Un modèle numérique est développé dans le but de simuler le fonctionnement de l'ensemble et d'optimiser le réseau d'hydrogel en vue d'applications dans le domaine médical. La seconde partie de ce travail concerne le développement d'une théorie sur le comportement mécanique de polymères sensibles à la lumière. L'objectif est d'établir une relation liant la déformation du matériau à l’intensité lumineuse. Les résultats obtenus sont comparés avec les résultats expérimentaux issus de la littérature. L'influence des interactions entre les molécules d'azobenzènes sur la déformation du matériau est étudiée. / Many engineering applications involve stimuli-responsive materials that can change their shape under the action of an external stimulus. It is in this context that this project takes place. Thanks to a multidisciplinary environment with the association of two lines of research of the Institut Pascal: the Mechanical area (Mechanic, Materials and structure) and the Photonic area (Nanostructures and Nanophotonics), this PhD perfectly fits with the “Materials and multi-scale Modeling” transversal action of the laboratory. The first part of this work relies on an experimental system developed by an American team [Chang_10] which allows to measure the pH of a solution without contact, making use of its photonic characteristics. This system is composed of a hydrogel network fixed on a rigid substract. A numerical model is developed in order to simulate its behavior and optimize the hydrogel network with a view to applications in the medical domain. The second part of this PhD is related to the development of a theory on the mechanical behavior of photo-sensitive polymers. The aim is to establish a link between the material deformation and the light intensity. The obtained results are compared to experimental ones from literature. The interaction influence of the azobenzenes molecules on the material strain is studied.

L’adhérence et le frottement existent dans de nombreux systèmes techniques ainsi que dans les systèmes naturels. Ces deux phénomènes ont une influence importante sur la durabilité et l’efficacité des dispositifs techniques. Une approche reconnue pour ajuster précisément ces caractéristiques - outre le fait de modifier les propriétés physico-chimiques - est la texturation des surfaces en contact. Les surfaces de feuilles de plantes sont souvent décorées avec des morphologies de surface diverses, et présentent ainsi des fonctionnalités de surface remarquables. Cette thèse visait à réaliser une étude systématique de la mécanique de l’adhérence et du frottement sur des surfaces micro-structurées, répliquées à partir de surfaces de feuilles végétales, en contact avec une sonde qui s’inspire de l’organe adhérent d’un insecte. Les morphologies de surface de trois feuilles végétales différentes ont été directement transférées sur un polymère viscoélastique. Pour ce faire, trois approches différentes de reproduction ont fait l’objet d’une étude approfondie. La microscopie électronique à balayage et la microscopie confocale à balayage laser ont été utilisées pour l'évaluation qualitative et quantitative de la qualité de reproduction. Concernant l’étude de la mécanique du contact, un nano-indenteur a été modifié, permettant d’enregistrer les images in situ des contacts réels. Des tests de pull-off ont été menés afin d’évaluer quantitativement l’effet de la pré-charge sur la force d’adhésion et pour comprendre les modes distincts de collage/décollement. Des essais de frottement ont été effectués afin d’examiner l’effet de la charge normale et de la vitesse de glissement sur la force de frottement. Les résultats ont été discutés en fonction de la topographie de chaque surface. / Adhesion and friction exist in many technical systems as well as in natural ones. Both phenomena have a profound influence on the durability and efficiency of technical systems. A well-recognised way to tune these characteristics - besides altering the physicochemical properties - is the texturing of the interacting surfaces. Inspiringly, plant leaf surfaces are often decorated with diverse surface morphologies, and so show remarkable functionalities. This thesis aimed to perform a systematic investigation of adhesion and friction mechanics on micro-structured surfaces replicated from plant leaves, in contact with a probe, which was inspired from an insect’s adhesive pad. Surface morphologies of three different plant leaves were directly transferred onto a viscoelastic polymer. For this, three different replication approaches were comprehensively explored. Scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy were used for the qualitative and quantitative evaluation of replication ability. For the contact mechanics investigation, a high-resolution nanoindenter was modified, with incorporating a unique feature to record the in-situ real-contact images. Pull-off tests were carried out to quantitatively evaluate the effect of pre-load on adhesion force characteristics and to understand distinct attachment-detachment modes. Friction investigations were performed to examine the effect of normal load and sliding speed on the friction force. Results were discussed with regard to each surface’s topography.

Le besoin de sources d’énergie autonomes connaît un regain d’intérêt de plus en plus important avec la multiplication des équipements portables et le développement des réseaux de capteurs. Au-delà de l’utilisation traditionnelle des batteries, il y a un intérêt évident à générer l’énergie électrique nécessaire au cœur du système lui-même en utilisant le gisement environnemental disponible : gradients thermiques, vibrations mécaniques….Ceci est également rendu possible par la réduction importante de la consommation des composants électroniques observés ces vingt dernières années. Parmi les dispositifs susceptibles d’exploiter le gisement vibratoire, les matériaux électro-actifs occupent une place de choix. Actuellement, on recherche des matériaux légers, pouvant se déposer sur des grandes surfaces et peu coûteux à la réalisation. Ceci ouvre des perspectives séduisantes à l’utilisation de polymères électro-actifs en lieu et place des matériaux céramiques piézoélectriques. Parmi les EAP disponibles, les polyuréthanes (PU) sont des élastomères thermoplastiques d'un grand intérêt pour une vaste gamme d'applications en tant que transducteurs ou actionneurs lorsque l'on considère leur importante déformation sous champ électrique, une énergie spécifique élevée, et leur réponse rapide De plus, ces matériaux sont légers, très souples, présentent de faibles coûts de fabrication, et peuvent être facilement moulés dans n'importe quelle forme souhaitable. Des travaux récents ont montré que l'énergie récoltée peut être augmentée en incorporant des nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice de polyuréthane. Cependant, les nanocomposites peuvent ne pas avoir été optimisées, car il est bien connu que les NTC sont difficilement dispersées dans une matrice polymère et que la force d'adhérence interfaciale est généralement médiocre. Une solution pour améliorer à la fois la dispersion et l'adhérence peut consister en greffant des chaînes de polymère sur les surfaces de la NTC. L'objectif principal de cette thèse était de développer des polymères nanocomposites à haute efficacité pour la récupération d'énergie et d'actionnement. La motivation principal était d'utiliser des NTC greffé-polymère pour améliorer la dispersion, l'adhérence interfaciale dans PU, et de comprendre comment cela peut changer les propriétés électroactifs des nanocomposites PU / NTC. En d'autres termes, ce était un projet pluridisciplinaire, y compris une optimisation du processus d'élaboration, caractérisations physiques ˗ notamment les comportements de microstructure, électriques et mécaniques dans une large gamme de fréquences et températures ˗ et la détermination des propriétés électroactifs. Il s’agissait également de développer une modélisation des lois de comportements en s’aidant de l’analyse de la microstructure par imagerie. / Harvesting systems capable of transforming dusty environmental energy into electrical energy have attracted considerable interest throughout the last decade. Several research efforts have focused on the transformation of the mechanical vibration into electrical energy. Most of these research activities deal with classical piezoelectric ceramic materials, but more recently, a promising new type of materials is represented by electroactive polymers (EAPs). Among the various EAPs, polyurethane (PU) elastomers are of great interest due to the significant electrical-field strains, and due to their attractive and useful properties such as flexibility, light weight, high chemical and abrasion resistance, high mechanical strength and easy processing to large area films as well as their ability to be molded into various shapes and biocompatibility with blood and tissues. In addition, it has recently been shown that the incorporation into a PU matrix of nanofillers, such as carbon nanotubes (CNTs), can greatly enhance the expected strain, or the harvested energy. However, it is well known that CNTs are hardly dispersed in a polymeric matrix, and that the interfacial adhesion strength is generally poor. An effective method to improves both dispersion and adhesion may consist in functionalizing CNTs by grafting polymer chains onto their surfaces. The main objective of this thesis was to develop high-efficiency polymers nanocomposites for harvesting energy and actuation. The key motivation was to use polymer-grafted CNTs to improve dispersion, interfacial adhesion in PU, and understand how this can change the electroactive properties of the PU/CNT nanocomposites. In other words, it was a pluridisciplinary project including an optimization of the elaboration process, physical characterizations ˗ including microstructural, electrical and mechanical behaviors in a wide range of frequencies and temperatures ˗ and the determination of the electroactive properties. A comprehensive study was then carried out first on pure PU to understand how their electroactive properties depend on their microstructure, and then on the nanocomposites to understand how the incorporation of functionalized CNT can improve the electromechanical properties.

Ce travail de thèse comporte un volet Matériaux qui s'insère dans une thématique Nanomatériaux/ Nanocomposites et un volet propriétés optiques relevant de la Nanophysique. Nous avons adressé les effets de nanostructuration d'un polymère conjugué semi-conducteur sur ses propriétés d'émission optique : le poly(p-phénylène vinylène) (PPV). Deux types de nanostructuration sont mis en oeuvre : l'élaboration de films minces nanocomposites polymère / nanotubes de carbone (NTC) ; l'élaboration de nanofibres. Les films minces nanocomposites PPV/NTC sont préparés par “drop-casting” pour diverses concentrations de NTC et dilutions du précurseur du PPV. Leurs propriétés optiques se trouvent fortement modifiées par ces différents paramètres. L'effet sur la photoluminescence de l'interaction entre chaînes de polymère et les NTC est discuté. Les nanofibres de PPV sont élaborées par une méthode d'imprégnation de membranes nanoporeuses. Selon les conditions de synthèse, deux types de morphologie sont obtenus : nanofils ou nanotubes. Des propriétés de photoluminescence très différentes selon la morphologie nanofil-nanotube sont mises en évidence. Ainsi, pour les nanotubes de PPV, le rendement quantique d'émission est fortement renforcé et une nouvelle bande d'émission proche de 450 nm apparaît, présentant un déclin très lent. L'ensemble des résultats de photoluminescence est interprété et discuté à l'aide d'un travail théorique visant à décrire la structure moléculaire et supramoléculaire de ces nanostructures en terme de distribution de segments conjugués (effets intrachaîne/interchaîne, taille des segments). Il s'appuie sur un modèle phénoménologique et sur des calculs de chimie quantique moléculaire.