Les propriétés spécifiques des milieux fluides supercritiques sont exploitées depuis denombreuses années dans les domaines de la séparation, de la chimie et des matériaux.Aujourd’hui, les activités de recherche se focalisent vers une meilleure compréhension et unmeilleur contrôle des processus thermodynamiques, physiques et chimiques mis en jeu, ce quinous a naturellement amené à développer la microfluidique supercritique. C’est dans cecontexte que s’inscrivent ces travaux de thèse ayant pour objet le développement et l’utilisationde l’outil microfluidique pour l’étude de la réactivité chimique et de la germination-croissance enmilieux fluides supercritiques.Notre premier objectif a concerné le développement de l’outil microfluidique supercritique etde microsystèmes résistants aux conditions de température et de pression. Quelquescaractéristiques physiques associées à ces dispositifs sont proposées de manière à observerclairement les avantages attendus du couplage de la microfluidique et des fluides supercritiques.Nous avons ensuite validé l’apport de la microfluidique supercritique sur la réactivité chimiqueet la chimie des matériaux via, d’une part, l’étude de l’oxydation hydrothermale du méthanol et,d’autre part, l’élaboration de nanocristaux de ZnO. Les propriétés de photoluminescence de cesnanocristaux de ZnO ont été caractérisées; nous avons montré que l’outil microfluidiquesupercritique permet de synthétiser des nanocristaux de ZnO avec une luminescenceexcitonique. / The unique properties of supercritical fluids (SCFs) have been widely used since the 1980’sin a wide range of applications including separation, chemistry and materials synthesis.Currently, the research activities are focused toward a better understanding and tailoring ofthermodynamical, physical and chemical phenomena involved in SCFs processes. In thiscontext, this is why we have chosen to develop supercritical microfluidics in the frame of thisPhD work, which aims at developing and using microfluidic tools in order to study the chemicalreactivity and the nucleation-growth in supercritical fluids.First of all, our strategy aimed at fabricating microsystems which could handle to the SCFsoperating conditions (high pressure and high temperature). Then, we have studied somephysical characteristics of these devices and in particular we determined the expectedadvantages associated with the combination of microfluidic tools and supercritical fluids.Afterwards, we have demonstrated the benefits of the supercritical microfluidics to materialssynthesis and chemical reactivity through the hydrothermal oxidation of methanol and thesynthesis of ZnO nanocrystals. This last point was also the subject of a photoluminescencestudy, demonstrating that supercritical microfluidics tools can be used as “precision synthesis”reactors.

Ce mémoire de thèse porte sur l'étude de la réactivité induite par les électrons de basse énergie (0-20 eV) dans les systèmes condensés. Ces électrons induisent dans ces systèmes la formation de fragments réactifs pouvant ensuite initier des réactions soit avec le substrat : c'est la fonctionnalisation de la surface, soit au sein même du film, ce qui conduit à la synthèse de nouvelles molécules. La première partie traite de la caractérisation et de la fonctionnalisation par des groupements organiques de la surface de diamant hydrogéné polycristallin. Il est en particulier montré que les électrons peuvent induire la chimisorption de groupements (CH2CN) après l'irradiation de deux monocouches d'acétonitrile CH3CN condensées sur le diamant, suivant une réaction, résonante à 2 eV pour laquelle un mécanisme est proposé. Cette étude ouvre ainsi la voie à l'utilisation des électrons de basse énergie comme vecteur de la fonctionnalisation contrôlée des surfaces. La deuxième partie concerne l'étude de la synthèse induite dans les glaces à basse température. Il est montré la formation de CO2 à partir de différents acides carboxyliques, ainsi que la synthèse de molécules plus complexes, comme l'acide aminé glycine à partir du film mixte CH3COOH:NH3 ou l'acide carbamique à partir du mélange CO2:NH3. Dans ces deux cas, un mécanisme de réaction est proposé. Cette étude montre que les électrons de basse énergie, présents en grand nombre en tant qu'électrons secondaires dans tout système condensé sous rayonnement ionisant (glaces interstellaires ou stratosphériques) peuvent jouer un rôle dans la chimie de ces milieux, en particulier dans la chimie prébiotique du milieu interstellaire.

Dans ce travail, trois types de lésions des bases de l'ADN ont été étudiés d'un point de vue théorique à l'aide de méthodes de chimie quantique basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité : la désamination spontanée de la cytosine et de ses dérivés, la formation de lésions tandem induites par des radicaux hydroxyles en milieu anaérobie et la formation de dimères de bases pyrimidiques suite à une exposition à un rayonnement ultraviolet. L'utilisation complémentaire de méthodes quantitatives statiques permettant d'explorer en partie les surfaces d'énergie potentielle associées à une réaction chimique et de la « DFT conceptuelle » ont permis d'obtenir des renseignements quant aux mécanismes réactionnels mis en jeu et de rationaliser des différences de réactivité entre bases nucléiques vis-à-vis de la formation d'un même type de lésion.<br /> Parallèlement à ces études, une réflexion a été menée concernant le concept de mécanisme concerté asynchrone, en particulier en termes de sens physique de l'état de transition, de respect du principe de dureté maximum, et de détermination du nombre de processus primitifs impliqués. Enfin, un nouvel indice de réactivité locale a été développé, pertinent pour décrire la réactivité de systèmes moléculaires dans un état excité.

Les propriétés spécifiques des milieux fluides supercritiques sont exploitées depuis denombreuses années dans les domaines de la séparation, de la chimie et des matériaux.Aujourd'hui, les activités de recherche se focalisent vers une meilleure compréhension et unmeilleur contrôle des processus thermodynamiques, physiques et chimiques mis en jeu, ce quinous a naturellement amené à développer la microfluidique supercritique. C'est dans cecontexte que s'inscrivent ces travaux de thèse ayant pour objet le développement et l'utilisationde l'outil microfluidique pour l'étude de la réactivité chimique et de la germination-croissance enmilieux fluides supercritiques.Notre premier objectif a concerné le développement de l'outil microfluidique supercritique etde microsystèmes résistants aux conditions de température et de pression. Quelquescaractéristiques physiques associées à ces dispositifs sont proposées de manière à observerclairement les avantages attendus du couplage de la microfluidique et des fluides supercritiques.Nous avons ensuite validé l'apport de la microfluidique supercritique sur la réactivité chimiqueet la chimie des matériaux via, d'une part, l'étude de l'oxydation hydrothermale du méthanol et,d'autre part, l'élaboration de nanocristaux de ZnO. Les propriétés de photoluminescence de cesnanocristaux de ZnO ont été caractérisées; nous avons montré que l'outil microfluidiquesupercritique permet de synthétiser des nanocristaux de ZnO avec une luminescenceexcitonique.

L'objectif est de développer des méthodes permettant de suivre et de quantifier la réactivité chimique de surface à l'échelle micrométrique. Nous proposons une approche optique qui utilise une détection sans marquage basée sur un changement d'indice de réfraction. Le principe repose sur le couplage entre techniques d'imagerie, de microscopie optique et de micro-électrochimie pour étudier et cartographier en temps réel et in situ des processus (électro)chimiques interfaciaux. Les potentialités de ces techniques sont mises en évidence sur un système modèle : l'électrogreffage de films minces organiques sur des surfaces par réduction de sels de diazonium. La réactivité (bio)chimique est étudiée ex situ et in situ sur différentes surfaces d'or : des microélectrodes ou des macroélectrodes décorées par impression par microcontact ou par lithographie. La méthode est intéressante pour examiner la réactivité chimique de diverses molécules immobilisées vis-à-vis de radicaux électrogénérés. Ces microscopies opto-électrochimiques montrent que la microlithographie modifie la réactivité de surface et qu'elle doit donc être réalisée soigneusement quand on cherche à déterminer la réactivité de la surface. Finalement, ces travaux sont appliqués au développement d'une méthode analytique par microscopie électrochimique (SECM) pour détecter des mouvements mécaniques de microleviers suite à un changement de tension de surface.

Ce mémoire traite de la dynamique des molécules envisageant une description classique pour les noyaux et quantique pour la structure électronique. Les approches "Born-Oppenheimer" et "Car-Parrinello" sont discutées et un nouvel algorithme est présenté puis validé de par la bonne conservation de l'énergie totale au cours du temps. Il est ensuiote étendu pour simuler l'ensemble canonique et appliqué à la détermination de caractéristiques spectroscopiques de systèmes moléculaires. L'estimation de quantités, telle l'énergie libre, est considérée à l'aide de la théorie de l'ensemble "blue-moon". Cette méthode est appliquée à deux réactions chimiques, mettant en évidence la mise en défaut de l'approche traditionnelle basée sur l'approximation harmonique. Enfin, l'estimation de l'énergie de point zéro au delà de cette approximation est abordée.

Les interactions non-covalentes ont une importance fondamental pour la chimique. Les interactions entre un catalyseur et le substrat, interactions entre matériaux, synthèse des enantiomers parmi autres réactions chimiques sont décrivent par interactions non-covalentes. Elles sont fondamental pour designer nouveaux matériaux. Les interactions non-covalents sont très suivant visualisées à partir de mesures de contactes atomiques qui utilisent des donnes de rayon de van de Waals. Cette type d'approximations ne sont pas très flexible pour comprendre l'interaction avec l'environnement. Aujourd'hui les approximations qui utilisent des fonctions dans l'espace réel (i.e. la densité électronique) sont très utilisent pour visualiser les interactions non-covalentes. Dans cet thèse, on analyse la méthode NCI pour visualiser interactions chimiques. On analyse les gradient réduit de la densité, ingrédient fondamental dans la méthode NCI. On montré que cette fonction est liée au la densité d'énergie cinétique et au comportement bosonique du système. On montre que la méthode NCI peut être utilisée pour analyser tous les types d'interactions; dès interactions covalentes aux non-covalentes. Finalement la méthode est appliqué à la réactivité chimique. / Non-covalent interactions are of paramount importance in chemistry. Interactions between a catalyst and its substrate, self-assembly of nanomaterials, enantiomer production and many other chemical reactions, are most of the time non-covalent in nature. They are also fundamental for crystallographic analysis, since they set up the scenario for molecular crystallization, whose guiding rules are still a fruitful filed of research. Non-covalent interactions are frequently visualized using distance dependent contacts, generally without consideration of hydrogen atoms. Most of these interactions are usually identified by the use of tabulated van der Waals radii, which are not flexible enough to reveal the interplay with the environment. New approaches, based on 3D functions that can be derived either form experiment or computation (e.g. the electro density) are now widely used to identify and visualize non-covalent interactions. In this thesis we analyse the NCI method, and namely, its main ingredient, the reduced density gradient. Its capabilities for visualizing chemical interactions are examined. This 3D function is then, connected with the kinetic energy density and a interpretation of the reduced density gradient in terms of the bosonic behaviour of the electronic system is presented. Then, the NCI method is applied to visualise and analyse chemical interactions: from covalent to non-covalent interactions. The chemical reactivity is also addressed. The NCI method is applied to rationalised the outcome of several reactions.

Cette thèse vise à développer une approche basée sur le concept de Graphe Condensé de Réaction (GCR) capable de (i) sélectionner un espace optimal de descripteurs séparant au mieux différentes classes de réactions, et (ii) de préparer de nouveaux descripteurs pour la modélisation « structure–réactivité ». Cette méthodologie a été appliquée à la recherche par similarité dans une base de données contenant 8 classes de réaction différentes; et à la cartographie de son espace chimique en utilisant des cartes de Kohonen et de cartes topographiques génératives. La seconde partie de la thèse porte sur le développement de modèles prédictifs pour le pKa et pour des conditions optimales pour différents types de réaction de Michael impliquant à la fois les descripteurs d’effet électronique et des descripteurs calculés sur les GCR. / This thesis aims to develop an approach based on the Condensed Graph of Reaction (CGR) method able to (i) select an optimal descriptor space the best separating different reaction classes, and (ii) to prepare special descriptors to be used in obtaining predictive structure-reactivity models. This methodology has been applied to similarity search studies in a database containing 8 different reaction classes, and to visualization of its chemical space using Kohonen maps and Generative Topographic Mapping. Another part of the thesis concerns development of predictive models for pKa and for optimal conditions for different types of Michael reaction involving both CGR-based and Electronic Effect Descriptors.

Ce travail de thèse porte sur le développement des nouveaux verres bioactifs de comblement osseux. Ils sont élaborés par fusion dans le système quaternaire : SiO2-CaO-Na2O-P2O5. Deux éléments chimiques (bore et fluor), ont été incorporés au sein du réseau vitreux. L’effet de la quantité des éléments ajoutés dans le verre, sur le comportement physico-chimique, mécanique et physiologique a été mené par plusieurs techniques originales. L’intégration du bore ou du fluor au sein de la matrice vitreuse, influe sur les caractéristiques thermiques des verres synthétisés. Les performances mécaniques en termes de résistance mécanique, module de Young, module de cisaillement, rigidité et dureté ont été développé par l’incorporation du fluor dans la structure vitreuse. L’effet inverse a été manifesté pour les verres à base du bore. Des essais ''in vitro'' ont prouvé que la présence du bore accélère la dissolution de la matrice vitreuse, la cinétique et la cristallisation de la couche d’hydroxyapatite. Tandis que l’ajout du fluor retarde ces phénomènes physiologiques. / This thesis focuses on the development of new bioactive glasses for use as bone filling. They are synthetized by the melting method in the quaternary system CaO-SiO2-Na2O-P2O5. Two chemical elements (boron and fluor), have been incorporated in the glass network. The amount added effect, of elements, in the glass, on the physico-chemical, mechanical and physiological behaviour was led by several original techniques. The boron or fluor integration in the glass matrix, affect the thermal characteristics of the synthesized glasses. The mechanical performance in terms of: mechanical strength, Young's modulus, shear modulus, rigidity and hardness, have been developed by the fluor incorporation into the glass structure. The opposite effect was manifested for boron based glasses. In vitro tests have showed that the boron presence accelerates the vitreous matrix dissolution, the kinetics and the crystallization of the hydroxyapatite layer. While the fluor addition retards these physiological phenomena.

Ce travail de thèse concerne les verres bioactifs purs et dopés pour des applications en tant que biomatériaux en site osseux. Ils sont synthétisés par fusion dans le système SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅. Quatre éléments métalliques (Zn, Ti, Cu et Ag), présentant des caractéristiques chimiques et physiologiques intéressantes, ont été introduits dans la matrice vitreuse. Leur réactivité chimique et leur cytotoxicité ont été évalués lors de tests in vitro. L'introduction de ces éléments métalliques influe sur les caractéristiques thermiques des verres ainsi que sur la dissolution de la matrice vitreuse, la cinétique et la cristallisation de la couche d'hydroxyapatite. Une bonne prolifération cellulaire a été mise en évidence. En parallèle, une méthode de synthèse d'une vitrocéramique, présentant une microporosité, a été développée par réaction entre TiN et ZnO. Des essais in vitro ont montré un caractère bioactif après 60 jours d'immersion et une absence de cytotoxicité. Ce biomatériau a ensuite été implanté au niveau de la diaphyse fémorale de lapins. Différentes études structurales ont montré la résorption progressive du biomatériau jusqu'à 6 mois d'implantation. Des scaffolds chitosan / verre bioactif ont également été synthétisés et obtenus par lyophilisation. Ils ont été étudiés lors d'essais in vitro. Ils ont servi de support pour la vectorisation de gentamicine. Les résultats obtenus montrent que les teneurs en chitosan et en verre bioactif ont une influence sur la cristallisation de l'hydroxyapatite et le relargage du médicament. Les modèles mathématiques établis montrent que le temps de relaxation des scaffolds dépend de la concentration de départ en gentamicine. / This research work focuses on the pure and doped bioactive glasses for use as bone biomaterial. They are synthesized by the melting method in the system SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅. Four metallic elements, presenting interesting chemical and physiological properties, have been introduced in the amorphous matrix. Their chemical reactivity and their cytotoxicity have been evaluated during in vitro assays in simulated body fluid and cell culture media. The introduction of these metallic elements influences their thermal characteristics, the glass matrix dissolution, the kinetic and the crystallization of the hydroxyapatite layer. A good cells proliferation have been showed. In parallel, a method of synthesis of a glass-ceramic, having a microporosity, have been developed by reaction between TiN and ZnO. In vitro assays have showed a bioactive character after 60 days of immersion and a non-cytotoxicity. This biomaterial was implanted in the femoral dyaphisis of rabbits. Different structural studies have showed the gradual resorption of the biomaterial up to 6 months of implantation. Finally, scaffolds chitosan/bioactive glass, obtained by freeze-drying, have also been studied during in vitro assays. They were used as support for the vectorization of gentamicin. The obtained results show that the content of chitosan and bioactive glass have an impact on the crystallization of hydroxyapatite et the release of drug. Mathematic models show that the relaxation time depend on the starting concentration of gentamicin.