Les liquides sont capables, comme les solides, de supporter des forces de traction. Ils sont alors à pression négative (c'est-à-dire en tension), dans un état qui est métastable. Le retour vers un état stable à pression positive peut se faire par la nucléation d'une bulle, un processus appelé cavitation. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés de la cavitation en milieu confiné, avec un accent particulier sur la dynamique des bulles. Ce sujet est motivé par l'étude du transport de l'eau dans les arbres dont une partie (la sève montante) se fait sous tension, dans des canaux micrométriques. La cavitation entraîne alors l'embolie des éléments conducteurs de sève, c'est-à-dire leur remplissage par du gaz. Une grande partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la cavitation dans un milieu modèle, où de l'eau est confinée dans des inclusions sphériques micrométriques au sein d'un hydrogel. L'évaporation passive de l'eau à travers le gel permet de générer des pressions négatives, et la cavitation peut se produire spontanément ou être déclenchée à l'aide d'un laser. Nous résolvons la dynamique subséquente de la bulle à l'aide de diverses méthodes (caméra time-lapse ou caméra rapide, diffusion de la lumière, strobophotographie laser ...) et montrons qu'après une séquence inertielle ultra-rapide, la bulle atteint un état d'équilibre temporaire, puis grossit de manière quasi-statique sous l'effet des flux d'eau dans l'hydrogel, provoquant "l'embolie" de l'inclusion. Une place importante est accordée à un chapitre de théorie qui explore d'une part les propriétés thermodynamiques d'un liquide confiné à pression négative, et d'autre part la dynamique aux temps courts de bulles de cavitation dans de tels systèmes. Nous proposons ainsi une équation de Rayleigh-Plesset modifiée qui rend compte de l'accélération importante des oscillations radiales des bulles que nous avons observée expérimentalement. La compressibilité du liquide et l'élasticité du confinement sont des éléments-clés de ce modèle. Enfin, nous discutons l'application des résultats précédents dans le contexte des arbres, tout en proposant une nouvelle méthode expérimentale qui permet un suivi optique du processus d'embolie. Nous présentons quelques résultats obtenus sur des échantillons de pin sylvestre. / Liquids can sustain traction forces, as solids do. In this case, they are at negative pressure (that is, under tension), in a metastable state. Nucleation of a bubble can occur, leading the system back to a stable state : this process is called cavitation. In this PhD work, we are interested in the properties of cavitation in a confined liquid, with a particular emphasis on bubble dynamics. This study is motivated by the context of water transport in plants : ascending sap is indeed under tension, in natural micro-channels. Cavitation then leads to embolism, i. e. the gas-filling of these channels. A significant part of the manuscript is devoted to the study of cavitation in a model system : spherical inclusions of water are embedded in a hydrogel, and passive evaporation of water through the gel allows the generation of negative pressures. Cavitation can then happen spontaneously or be triggered with a laser. We resolve the subsequent dynamics of the bubble, using several methods (fast or time-lapse camera, light scattering, laser strobe photography ...), showing that after a first ultra-fast inertial step, the bubble reaches a temporary equilibrium. Then, it slowly grows due to fluxes in the hydrogel, leading to full embolism of the inclusion. A theoretical chapter follows. First, the thermodynamical properties of a confined liquid under negative pressure are investigated. In a second part, we focus on the dynamics of cavitation bubbles in such systems, at short time scales. We derive a modified Rayleigh-Plesset equation which accounts for the experimentally observed ultra-fast radial oscillations of the bubbles. Liquid compressibility and confinement elasticity are key ingredients in this model. Last, the applicability of the previous results in the context of trees is discussed. A new method to directly study embolism in trees by optical means is also presented, and applied to Scots pine samples.

Les liquides sont capables, comme les solides, de supporter des forces de traction. Ils sont alors à pression négative (c'est-à-dire en tension), dans un état qui est métastable. Le retour vers un état stable à pression positive peut se faire par la nucléation d'une bulle, un processus appelé cavitation. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés de la cavitation en milieu confiné, avec un accent particulier sur la dynamique des bulles. Ce sujet est motivé par l'étude du transport de l'eau dans les arbres dont une partie (la sève montante) se fait sous tension, dans des canaux micrométriques. La cavitation entraîne alors l'embolie des éléments conducteurs de sève, c'est-à-dire leur remplissage par du gaz. Une grande partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la cavitation dans un milieu modèle, où de l'eau est confinée dans des inclusions sphériques micrométriques au sein d'un hydrogel. L'évaporation passive de l'eau à travers le gel permet de générer des pressions négatives, et la cavitation peut se produire spontanément ou être déclenchée à l'aide d'un laser. Nous résolvons la dynamique subséquente de la bulle à l'aide de diverses méthodes (caméra time-lapse ou caméra rapide, diffusion de la lumière, strobophotographie laser ...) et montrons qu'après une séquence inertielle ultra-rapide, la bulle atteint un état d'équilibre temporaire, puis grossit de manière quasi-statique sous l'effet des flux d'eau dans l'hydrogel, provoquant "l'embolie" de l'inclusion. Une place importante est accordée à un chapitre de théorie qui explore d'une part les propriétés thermodynamiques d'un liquide confiné à pression négative, et d'autre part la dynamique aux temps courts de bulles de cavitation dans de tels systèmes. Nous proposons ainsi une équation de Rayleigh-Plesset modifiée qui rend compte de l'accélération importante des oscillations radiales des bulles que nous avons observée expérimentalement. La compressibilité du liquide et l'élasticité du confinement sont des éléments-clés de ce modèle. Enfin, nous discutons l'application des résultats précédents dans le contexte des arbres, tout en proposant une nouvelle méthode expérimentale qui permet un suivi optique du processus d'embolie. Nous présentons quelques résultats obtenus sur des échantillons de pin sylvestre.

Pour assurer le transport de la sève des racines vers les feuilles, les plantes vasculaires génèrent de très fortes dépressions dans le liquide, pouvant atteindre -200 bar, au niveau des feuilles. Cette dépression « tire » sur la colonne d'eau contenue dans l'appareil vasculaire de l'arbre. La cohésion de l'eau maintient la sève sous forme liquide. Cet état métastable peut se rompre : des bulles de cavitation apparaissent. Elles créent un « bouchon » d'air dans le réseau hydraulique de la plante et gênent la circulation de la sève. C'est ce que l'on appele l'embolie. Si ce phénomène se généralise, il peut provoquer la mort de la plante.Ce travail de thèse est consacré à 'invasion d'air dans des réseaux hydrauliques naturels ou artificiels initialement à pression négative. Nous avons d'abord étudié l'embolie dans les feuilles. Nous avons développé une technique novatrice permettant de relever la propagation spatiale de l'embolie dans le réseau hydraulique des feuilles. Nous montrons que l'embolie, quelque soit l'espèce, se propage par à-coups des plus grosses nervures aux plus petites.Afin de comprendre les lois physiques sous-jacentes, nous utilisons deux systèmes modèles. Nous réalisons d'abord des réseaux artificiels dans un hydrogel reproduisant les caractéristiques de la circulation de la sève ascendante. Après la relaxation de la tension dans le réseau par l'apparition de la bulle, nous observons des oscillations de surface et une croissance lente de la bulle, liée à l'évacuation de l'eau à travers l'hydrogel. Cette croissance peut atteindre un régime quasi-stationnaire. Ce systèmes ne nous permettant pas de reproduire toutes les caractéristiques géométriques du xylème, nous présentons une modélisation informatique reposant sur l'analogie entre réseaux hydrauliques et électrocinétique. Nous reproduisons les caractéristiques du xylème dans lequel circule la sève : les éléments conducteurs sont reliées par les ponctuations, des valves protégeant la plante de l'embolie. Nous retrouvons les à-coups caractéristiques de la propagation de l'embolie dans les feuilles.Enfin, nous discutons l'application des résultats précèdents dans le cas du bois et nous présentons quelques résultats obtenus sur du pin sylvestre. / To assure the transport from the roots to the leaves, vascular plants create strong depressions in the sap, next to -200 bars. This depression pulls the water column contained by the tree vascular system. The water cohesion keeps the sap under liquid state. This metastable state can breaks: cavitation bubbles appear. They create an air plug inside the plant hydraulic network and impede sap flow. This phenomena called embolism could lead to the plant death by preventing the sap transport.This thesis is dedicated to the air invasion into hydraulics networks under negative pressure. First, we study the leaf embolism. We developed a new technique which allows us to record the spatial propagation of embolism in leaves hydraulic network. We show that the embolism propagates by steps from biggest veins to smallest veins.Next, in order to understand the underlying physical laws, we use two model systems. We build artificial networks in a hydrogel which mimics the sap flow characteristics. After the relaxation of the negative pressure in the network by the nucleation of a bubble, we observe surface oscillations and the slow growth of the bubble. This growth is linked to the water transport through the hydrogel and can reach a stationary regime.As we are not able to reproduce all the characteristics of the leaf network with the hydrogel, we create a computer modeling based on the Ohm analogy between hydraulics networks and electrical circuits. We reproduce the specific features of the xylem which transport the sap: the conduits are linked by pits, small valves which limit the progression of the embolism. We were able to recover the distinctiveness steps in embolism.Finally, we discuss the application of the preceding results to wood and we present some results on Pinus sylvestris.

Les propriétés physiques des intermétalliques CeTX (T = élément de transition, X = élément np1 ou np2) dépendent de la force de l'hybridation Jcf entre les électrons 4f du cérium et ceux de la bande de conduction. L'insertion d'hydrogène dans ces composés modifie à la fois le volume molaire et la densité d'états au niveau de Fermi, et donc Jcf. Au cours de ce travail, la modification par hydruration des propriétés structurales, magnétiques et électriques des familles suivantes a été étudiée: (i) CeNiX (X = Al, Ga, In, Si, Ge, Sn) qui présentent un caractère de valence intermédiaire du cérium; (ii) CeCuX (X = Ga, Si, Ge, Sn) qui présentent un état trivalent du cérium et l'apparition d'un ordre magnétique à basse température; (iii) CeMnX (X = Si, Ge) qui présentent un ordre magnétique du cérium et du manganèse. Les résultats sont discutés en faisant le parallèle entre les propriétés structurales (sites d'insertion de l'hydrogène) et les propriétés physiques.

En focalisant une onde sonore intense dans un liquide ultra-pur, nous avons étudié la cavitation homogène, c'est-à-dire la dépression limite au delà de laquelle ce liquide devient intrinsèquement instable au profit de sa vapeur. Il existe deux liquides particulièrement purs, parce qu'ils sont plus froids que tous les autres, l'hélium 4 et l'hélium 3. Les propriétés de ces deux liquides sont si bien connues que la théorie a permis de calculer les " limites spinodales " près desquelles la cavitation doit avoir lieu : -9,5 bar pour l'hélium 4 et -3,1 bar pour l'hélium 3. Grâce à une étude en pression, nous avons montré que la cavitation avait bien lieu dans l'hélium 4 entre -8 et -10,5 bar et dans l'hélium 3 entre -2,4 et -2,9 bar. Par ailleurs, une étude précédente avait montré que, dans l'hélium 4, il existe une transition entre un régime classique (où la cavitation est aléatoire et dépend de la température ; en effet, la nucléation des bulles résulte du passage au dessus d'une barrière d'énergie sous l'effet des fluctuations thermiques) et un régime quantique (où la nucléation a lieu par effet tunnel à travers la barrière). En réalisant pour la première fois les mesures sur l'hélium 3, nous avons découvert qu'il n'existait pas de transition vers un régime de cavitation quantique à la température prévue ; au contraire la pression de cavitation devient brusquement plus négative à 40 mK. Nous avons alors proposé l'interprétation suivante : à basse température, l'hélium 3 est un " liquide de Fermi " où seule l'énergie des fluctuations de grande longueur d'onde diminue lorsqu'on s'approche de la limite spinodale ; celle des fluctuations de courte longueur d'onde reste élevée en raison de l'existence d'une rigidité quantique responsable du " son zéro ". Pour que la nucléation des bulles ait lieu à basse température, il faut donc amener l'hélium 3 beaucoup plus près de sa limite spinodale qu'on ne le croyait jusqu'à présent, afin que la taille du germe critique soit grande.

Tout liquide peut être surchauffé ou détendu au delà de sa courbe d'ébullition. Il est dans un état métastable, jusqu'à ce qu'une bulle de vapeur apparaisse, c'est le phénomène de cavitation. L'étude de la limité de métastabilité renseigne sur la cohésion du liquide et sur son équation d'état. Le cas de l'eau est spécialement intéressant : des théories concurrentes prédisent des variations en température de cette limite qualitativement différentes : monotone (la pression de cavitation augmente avec la température), ou avec un minimum. Nous mettons l'eau sous tension à l'aide d'une onde ultrasonore, émise par une céramique piézo-électrique hémisphérique. L'onde est focalisée pendant une courte durée et dans un petit volume loin de toute paroi, ce qui minimise l'influence d'éventuelles impuretés. Nous obtenons des résultats très reproductibles, permettant de mesurer la statistique de cavitation et de définir précisément son seuil dans différents types d'eaux. La céramique est calibrée de deux manières : avec des hydrophones à aiguille, et avec une méthode basée sur la variation de la pression statique du liquide. Les deux méthodes sont en accord et donnent une pression de cavitation monotone de -26 MPa à 0 Celsius C à -16 MPa à 80 Celsius C. Cela fait partie des pressions les plus négatives observées dans l'eau mais reste loin de la valeur théorique attendue (environ -120 MPa) et observée dans une seule expérience (Zheng etal , 1991, Science 254, 829). Nous discutons les causes possibles de ce désaccord : il peut être du soit à la présence d'impuretés, dont nous discutons la nature et la concentration, soit à une courbure inattendue de l'équation d'état aux pressions très négatives.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la cavitation acoustique dans l'eau et quelques autres liquides. Le 1er chapitre est consacré à une présentation des transitions de phase du premier ordre dans le régime métastable. Le 2e chapitre présente la théorie de nucléation classique, ainsi que le théorème de nucléation d'Oxtoby qui nous permet d'évaluer le volume de la bulle critique dans nos expériences. Puis un bilan expérimental de quelques méthodes pour étudier la cavitation est dressé. Nous présentons les singularités de l'eau par rapport aux autres liquides et montrons en quoi une étude de la limite de cavitation permettrait de les comprendre. Dans le 3e, nous présentons notre dispositif acoustique ainsi que la méthode de pression statique qui permet de déterminer la pression de cavitation. Nous présentons en détail l'hydrophone à fibre optique construit pour cette thèse sur le modèle de celui d'Eisenmenger, qui permet de mesurer la densité au seuil de cavitation. Les résultats et leur analyse sont présentés, pour l'eau, dans le 4e, pour le D2O, l'éthanol, l'heptane et le DMSO, dans le 5e chapitre. De l'étude de l'eau, il ressort que l'on est très loin de la théorie, et d'un type d'expérience. En revanche une modification par un facteur constant en température, de la tension de surface de l'eau permet de prédire nos résultats en pression, mais pas les volumes critiques de nucléation. Par ailleurs, l'étude dans les autres liquides montre que nous pouvons, par notre méthode, arriver à des résultats proches de la théorie, d'autant plus que la tension de surface du liquide étudié est faible.

No description available.

La supraconductivité dans la famille des composés de type fermions lourds tel le CeCoIn5 se développe à proximité d’une instabilité antiferromagnétique. La proximité de cette instabi- lité indique un point quantique critique (anglais pour ”quantum critical point” QCP) entre la phase antiferromagnétique et un liquide de Fermi. À ce point, les deux états fondamentaux du système sont en compétition et peuvent être perturbés par une variation de la pression ou de la composition chimique. Dans cette proposition, nous étudions la réciprocité entre les deux méthodes de perturbation du point quantique critique. Pour ce faire, on change la composition chimique du CeCoIn5 en dopant le cristal avec des atomes d’ytterbium qui prennent la place du cérium dans la structure. La substitution de certains atomes de cérium par de l’ytterbium est équivalent électroniquement à enlever un électron de la couche 4f car l’ytterbium est bivalent dans la structure CeCoIn5 . Ainsi, on détruit des moments magné- tiques dans le réseau fortement corrélé de centres de Kondo et pousse le matériau vers la phase antiferromagnétique. Dans la même optique, on utilise un accélérateur de particules pour implanter des atomes d’hélium dans la maille du cristal. Les atomes d’hélium agissent comme une source de pression négative qui dilatent le réseau et réduisent la cohérence entre certaines quasi-particules de Kondo. On propose alors que cette implantation pourrait induire l’ordre antiferromagnétique puisqu’elle favorise l’interaction magnétique longue portée. Dans un premier ordre, on a dopé les échantillons de CeCoIn5 dopé à l'Yb avec une concentration de 5%, 10% et 15%. Tel qu’attendu, suite aux mesures de la chaleur spécifique en fonction de la température, on s’aperçoit que la valeur de la température de transition de phase supraconductrice diminue lorsqu’on augmente le dopage dans le monocristal. On montre ainsi la dépendance entre la concentration de dopant dans le cristal et la destruction inhomogène de l’état corrélé. Lorsqu’on remplace des électrons de l’orbitale 4f par des trous de cette bande, on détruit la cohérence entre les centres de Kondo qui induit la supraconductivité. Cette variation chimique peut être utilisée comme un paramètre de réglage qui favorise le régime de l’interaction magnétique près du QCP. Similairement, suite à une implantation d’atomes d’hélium de 0.1%, 0.5% et 1% des mailles dans les premiers 15 micromètre de CeCoIn5 , on constate que la dilatation du réseau réduit linéairement l’intéraction globale du régime fortement corrélé entre les singulets de Kondo. Cependant, la cohérence entre les centres de Kondo est plus difficile à obtenir, ce qui diminue la température critique (Tc) de la transition de phase supraconductrice. On associe cette diminution de Tc proche d’un QCP à la suppression inhomogène du régime liquide de Fermi. Alors, l’application d’une pression négative par implantation d’hélium est considérée comme un paramètre de réglage qui avantage l’interaction magnétique longue portée et conduit le cristal vers l’ordre AFM. / Superconductivity in the family of heavy fermion compounds such as CeCoIn5 develops near an antiferromagnetic instability. The proximity of this instability indicates a quantum critical point (QCP) between the antiferromagnetic phase and a Fermi liquid ground state. At such a point, the two ground states of the system are in competition and applying pressure or changeing the chemical composition moves the system away from the QCP. In this work, we study the reciprocity between the two methods of perturbation of the QCP. In this sense, the chemical composition of the CeCoIn5 is changed by doping the system with ytterbium atoms, which replace the cerium. The substitution of cerium which is trivalent and carries a magnetic moment atoms by the bivalent ytterbium is electronically and non-magnetic electron of the shell 4f by a hole of the same orbital and removing a magnetic moment. Thus, we destroy magnetic moments causing the Kondo coherence and push the material towards the antiferromagnetic phase. In the same vein, an accelerator is used to implant helium atoms in the lattice of the crystal. Helium atoms act as a source of negative pressure which expands the lattice and which destroys the coherence between certain Kondo singlets. It is then proposed that this implantation should eventually induce antiferromagnetic order since this is favoring the long-range magnetic interaction. First, Ce1−xYbxCoIn5 samples were doped with an Yb concentration of x = 5%, 10% and 15%. As expected, following the measurements of the specific heat as a function of temperature, it is found that the value of the temperature of the superconducting phase transition (Tc) decreases when the level of doping increases in the single crystal. Thus, we conclude that the more electrons in the 4f orbital are replaced by holes of this band, the more we destroy the coherence between the Kondo center which induces superconductivity We also show that this inhomogeneous destruction of the correlated state is linear with the concentration of induced holes in the crystal. we conclude that the more electrons in the 4f orbital are replaced by holes of this band, the more we destroy the coherence between the Kondo center which induces superconductivity. In this sense, this chemical variation used as a tunning parameter favors the magnetic state near the QCP. Similarly, following a helium atom implantation of 0.1%, 0.5% and 1% of the lattices in the first 15 μm of CeCoIn5 , we find that lattice expansion linearly decreases the correlation between Kondo singlets. Thus, the coherence between Kondo centers is more difficult to achieve, which decreases the critical temperature (Tc) towards the superconducting phase transition. This linear decrease of Tc close to a QCP is associated to the suppression of the Fermi liquid regime and thus is expected to lea the crystal to the AFM order. Then, the application of a negative pressure by helium implantation can be considered as a tunning parameter which benefits the long-range magnetic interaction