Ce travail de recherche porte sur le développement et la mise au point d'un récupérateur d'énergie vibratoire MEMS à transduction capacitive dédié aux applications biomédicales et plus particulièrement aux stimulateurs cardiaques sans sondes autonomes. Cette application impose une miniaturisation poussée (volume inférieur à 1 cm³), une puissance de sortie dans la gamme allant de 1 à 10 µW et une compatibilité vis-à-vis des systèmes d'Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Ces contraintes ainsi que l'effet de la gravité ont été pris en compte sur tout le flot de conception afin d'obtenir un dispositif innovant en technologie MEMS silicium capable de fournir une puissance de sortie suffisante quelle que soit son orientation une fois implanté. Afin de convertir efficacement les battements cardiaques ayant un spectre étendu (de 1 à 50 Hz) pour une amplitude d'accélération faible (inférieure à 1 g), le système emploie des bras de suspension ayant une raideur non-linéaire ce qui permet d'étendre notablement la bande passante effective du système. Cette non-linéarité est ici induite de manière originale en faisant en sorte que la forme initiale des bras de suspension soit une combinaison linéaire des modes de déformée propre d'une poutre doublement encastrée. Un soin particulier a été apporté afin de modéliser ceci dans le but de prédire la réponse mécanique du système quels que soient les stimuli imposés. Afin de réaliser les différents dispositifs de test, une technologie MEMS de type SOG (Silicon-On-Glass) a été développée. Cette technologie permet d'obtenir des structures en silicium monocristallin avec un fort rapport d'aspect tout en limitant le budget thermique et se montre donc compatible avec une éventuelle industrialisation. Ceci a été prouvé via la réalisation de multiples véhicules de test qui se sont montrés totalement fonctionnels. Ainsi la pertinence des modèles théoriques permettant de prédire le comportement non-linéaire des ressorts employés a été prouvée de manière expérimentale. De même, les récupérateurs d'énergie réalisés ont été testés en régime harmonique mais également via des stimuli cardiaques et ont montré une large bande passante avec une puissance de sortie équivalente à celle donnée dans l'état de l'art et ce, quelle que soit leur orientation par rapport à la gravité. / Present work addresses question of MEMS capacitive vibrational energy harvesting for biomedical applications, and notably for powering an autonomous leadless pacemaker system. Such an application imposes several critical requirements upon the energy harvesting system, notably the sufficient miniaturization (<1cm³), power output in range of 1-10 µW, compatibility with Magnetic Resonant Imaging (MRI). This work addresses a problematic of MEMS energy harvester design, simulation, fabrication and characterization fulfilling such a requirement. Moreover, a gravity effect is studied and taken into account in the conception of the device to ensure the power output at various orientations of the harvester. To attain a heartbeat frequencies (1-50 Hz) and acceleration amplitudes (<1g), the use of nonlinear springs is proposed. A nonlinear stiffness is implemented in original way of introducing a natural bending mode shapes in the initial beam form. A mechanical description of bending mode coupling along with its impact on a reaction force of the suspension springs is presented. An innovative clean room technology based on silicon-on-glass (SOG) wafers is developed for the fabrication of the innovative energy harvesters with high width-to-depth aspect ratio. A straightforward and rapid low-temperature process with the possibility of future industrialization is validated by multiple experimental realizations of miniaturized MEMS energy harvesters. Fabricated microsystems are tested mechanically and electrically. Proposed theoretical model of the curved beam is validated with reactive force measurements of the MEMS springs. Energy harvesting experiments are performed for both harmonic and heartbeat mechanical excitations, which demonstrate the large bandwidth in low frequencies domain and a sufficiently large state-of-the-art power output for envisaged application under different orientations with respect to the gravity.

L'autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d'énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l'utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l'énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l'usage de l'énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d'une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s'adapte à l'énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l'une de capacité faible et l'autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d'interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d'abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l'architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d'un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d'énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d'efficacité d'usage de l'énergie, elles permettent d'atteindre jusqu'à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs. / Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultra-capacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.

L’accident vasculaire cérébral (AVC) est l’une des principales causes de mortalité dans le monde. Sile taux de de mortalité associé à l’AVC a sensiblement diminué dans les dernières décennies, cela estprincipalement du à l’amélioration globale de l’état de santé de la population et non à la découverte d’untraitement thérapeutique contre l’AVC et de nombreux survivants garderont des séquelles. Dans ce contexte,l’influence de la nutrition qui pourrait jouer un rôle central dans la résistance à l’AVC reste très peu étudier.Pourtant de nombreuses études épidémiologiques confèrent des propriétés protectrices à certaines moléculesnaturelles comme les acides gras polyinsaturés oméga-3.Dans un modèle murin d’AVC, notre laboratoire ayant montré que la consommation d’un régimeenrichi en acide a-linolénique (ALA), l’oméga-3 végétal, réduisait le volume d’infarctus cérébral, mestravaux ont porté sur l’effet de la supplémentation nutritionnelle en ALA. J’ai montré que la supplémentationen ALA par voie orale ou intraveineuse favorise la récupération cognitive post-AVC. Ces bénéfices sontassociés à la préservation des neurones de l’hippocampe, une structure cérébrale impliquée dans la mémoire.Par la suite, je me suis intéressé à l’effet de l’ALA sur la réponse inflammatoire pos-AVC, une composantemajeure dans l’étendue des séquelles. J’ai pu ainsi caractériser le rôle neurotoxique de la chimiokine CCL2 etd’identifier la réduction de son expression post-AVC, comme un facteur clé de la protection cérébrale induitepar la supplémentation en ALA. De plus, une étude collaborative nous a permis de mettre en évidencel’implication de la voie de signalisation de cette chimiokine dans la perte de poids induite par uneinflammation du système nerveux central. Mes travaux soulignent l’importance de la supplémentation en ALA pour réduire les conséquences d’un AVC, en ciblant la réponse pro-inflammatoire post-ischémique, apportant une preuve supplémentaire del’intérêt de l’ALA contre l’une des priorités les plus urgentes de la médecine / Stroke is a worldwide major cause of mortality and morbidity without any therapeutic opportunities.While improvements in population health - in the control of major risk factors of stroke - over the pastdecades have contributed to reduced stroke mortality, numerous therapeutics applied acutely after stroke havefailed to improve long-term clinical outcomes. Weirdly, how nutrition may affect stroke damage and recoveryhas not yet been intensely investigated, which is surprising given its great influence as risk factor. Therefore,our lab is investigating an emerging view that is the health potential of a-linolenic acid (ALA is the omega-3contained in plant-derived edible products) in stroke.Our laboratory has previously shown that ALA injections or dietary supplementation reduces strokedamage by direct neuroprotection in rodent models of stroke. As successful translation of putative therapieswill depend on demonstration of efficacy on stroke-induced motor and cognitive deficits, my PhD work hasevaluated the value of ALA supplementation in stroke recovery. I demonstrated that oral and intravenoussupplementation of ALA improved cognitive recovery, which was associated to a better preservation ofhippocampus, a brain structure involved in memory. Looking for mechanistic insights, I also investigated theeffect of ALA supplementation by modification of the daily diet on post-stroke inflammatory response. Wefirst demonstrated a neurotoxic role of the chemokine CCL2 after stroke and identified its reduction, as a keyfactor in brain protection induced by ALA supplementation. In addition, I also contributed to a collaborativestudy deciphering the role of CCL2 in weight loss induced by inflammation of the central nervous system.To conclude, my PhD highlights the importance of ALA supplementation to reduce the consequencesof stroke, targeting post-ischemic pro-inflammatory response and prepare the ground of clinical trial onnutritional interventions that are yet to be evaluated

L'utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées est de plus en plus étudiée pour intégrer/remplacer les systèmes de traitement actuels permettant d'éliminer les nutriments et autres polluants. Cependant, l’utilisation des microalgues dans le traitement des eaux usées en est principalement au stade de la recherche, par exemple faible élimination des nutriments et croissance de la biomasse des microalgues. Le but de cette thèse était de permettre une élimination efficace des éléments nutritifs et de la matière organique des eaux usées par les microalgues tout en favorisant la production de biomasse de microalgues. C. vulgaris et S. acuminatus ont été cultivés dans des photobioréacteurs discontinus avec des digestats issus de la digestion anaérobie (AD) de boues biologiques de boue de vidange provenant d’une station d’épuration municipale (ADMW) et d’une usine de traitement des eaux usées d’une usine de pâtes et papiers (ADPP). Les rendements d’élimination de l’ammonium étaient supérieurs à 97% lorsque les deux microalgues étaient cultivées séparément dans de l’ADPP. Toutefois, 24 et 44% de l’ammonium ont été retirés de l’ADMW par C. vulgaris et S. acuminatus, respectivement. Les deux microalgues ont efficacement éliminé le phosphate (> 96%), tandis que la couleur (74–80%) et la DCO soluble (27–39%) ont été partiellement éliminées de ADMW et d'ADPP. La plus forte concentration de biomasse de S. acuminatus (7,8 à 10,8 g L-1 VSS) dans l'ADPP figure parmi les rendements les plus élevés signalés pour les microalgues dans les eaux usées réelles. Des rendements de biomasse supérieurs de S. acuminatus ont été obtenus dans de l'ADPP thermophile (10,2 ± 2,2 et 10,8 ± 1,2 g L-1) par rapport à de l'ADPP mésophile prétraité (7,8 ± 0,3 g L-1). En outre, les concentrations les plus élevées en biomasse et en méthane de microalgues ont été obtenues dans le même système intégré de culture de AD et de microalgues. Les concentrations de fer (0,1, 1,0 et 1,9 mg L-1) et de sulfure de soufre (3,7, 20 et 35,8 mg L-1) affectaient davantage l'efficacité de l'élimination de l'azote et la concentration de la biomasse de microalgues davantage dans les ammonium probablement dû à différents mécanismes d'assimilation de microalgues. Dans cette étude, le milieu contenant du nitrate comme source d'azote avec 1,0 mg de L-1 de fer et 35,8 mg de L-1 de sulfate et de soufre a permis d'obtenir la plus forte concentration de biomasse de microalgues. L'effet de la concentration en fer sur l'efficacité d'élimination des nitrates et la croissance des microalgues était plus significatif que la concentration en sulfate, alors que l'effet d'interaction entre le sulfate et le fer n'était pas observé. L'efficacité moyenne d'élimination de l'ammonium (14 à 30%) et la concentration en biomasse de microalgues (0,55 à 1,17 g de POC L-1) dans un photobioréacteur à membrane à flux continu ont été améliorées par addition de zéolite (0,5 g L-1). La zéolite fournissait probablement un habitat pour la croissance attachée de microalgues et une grande disponibilité d'ammonium pour la croissance à la surface de la zéolite en raison de l'adsorption d'ammonium par la zéolite. Une augmentation supplémentaire de la concentration en zéolite (de 0,5 à 1 et 5 g L-1) n’a pas amélioré l’efficacité de l’élimination de l’ammonium ni la concentration de la biomasse, probablement en raison de la turbidité accrue de la solution provoquée par la fragmentation de la zéolite ajoutée en particules plus fines, ce qui a réduit la disponibilité de lumière. Ces travaux ont montré la possibilité d'utiliser des microalgues dans le traitement des eaux usées pour éliminer efficacement les nutriments et les matières organiques, tout en favorisant la croissance des microalgues. La sélection d'espèces de microalgues adaptées aux eaux usées spécifiques pour éliminer les nutriments et les matières organiques est essentielle pour promouvoir les applications de traitement des eaux usées à base d'algues / Use of microalgae in wastewater treatment has been increasingly studied to integrate with or replace the present treatment systems for removal of nutrients and other pollu-tants. The potential advantages of this integration (wastewater treatment and microalgal cultivation) could be simultaneous recovery of nitrogen and phosphorus and the use of produced microalgal biomass as feedstock for e.g. biofuel, fertilizer and/or energy. However, the use of microalgae in wastewater treatment is mainly in research stage due to e.g. low nutrient removal and microalgal biomass growth. The aim of this thesis was to enable efficient nutrient and organic matter removal from wastewaters by mi-croalgae while promoting microalgal biomass production. Chlorella vulgaris and Scenedesmus acuminatus were successfully grown in batch photobioreactors with liquid digestates from anaerobic digestion (AD) of biosludge from a municipal wastewater treatment plant (ADMW) and a pulp and paper mill wastewater treatment plant (ADPP). The final ammonium removal efficiencies were above 97% when cultivating both microalgae separately in ADPP, however, only 24% and 44% of ammonium were removed from ADMW by C. vulgaris and S. acuminatus, respectively. Both microalgae efficiently removed phosphate (>96%), while color (74–80%) and sol-uble COD (27–39%) were partially removed from ADMW and ADPP. The obtained highest S. acuminatus biomass concentration (7.8–10.8 g L-1 VSS) in ADPP is among the highest yields reported for microalgae in real wastewaters. Higher S. acuminatus biomass yields were obtained in thermophilic ADPP (without and with pretreatment prior to AD: 10.2±2.2 and 10.8±1.2 g L-1, respectively) than in pretreated mesophilic ADPP (7.8±0.3 g L-1). In addition, the highest microalgal biomass concentration and methane yields were obtained in the same integrated AD and microalgal culti-vation system (thermophilic AD with pretreatment).The iron (0.1, 1.0, and 1.9 mg L-1) and sulfate-sulfur (3.7, 20, and 35.8 mg L-1) concen-trations were found to affect nitrogen removal efficiency and microalgal biomass con-centration more in the media with nitrate than with ammonium, probably due to different microalgal assimilation mechanisms for nitrate and ammonium. In this study, synthetic medium with nitrate as nitrogen source with 1.0 mg L-1 iron and 35.8 mg L-1 sulfate-sulfur enabled the highest microalgal biomass concentration. The effect of iron concentration on nitrate removal efficiency and microalgal growth was more significant than that of sulfate concentration, while the interaction effect between sulfate and iron was not observed. The average ammonium removal efficiency (14 to 30%) and microalgal biomass con-centration (0.55 to 1.17 g particulate organic carbon per L) in continuous-flow mem-brane photobioreactor were promoted by adding a low concentration of zeolite (0.5 g L-1). The zeolite likely provided a habitat for attached growth of microalgae and high availability of ammonium for growth on the surface of the zeolite due to ammonium adsorption to zeolite. Further increase in zeolite concentration (from 0.5 to 1 and 5 g L-1) did not improve ammonium removal efficiency or biomass concentration. This was likely due to the increased solution turbidity caused by breaking apart of added zeolite particles into finer particles, which reduced light availability.In summary, this work showed the possibility of utilizing microalgae in wastewater treatment to efficiently remove nutrients and organic matter, and simultaneously pro-mote microalgal growth. Selecting suitable microalgal species for the specific wastewater to remove nutrients and organic matter is essential to promote algae-based wastewater treatment applications

Le projet Smart Thermogène Grid® s’intègre dans la dynamique actuelle d’économie d’énergie en s’intéressant à la mise en œuvre de solutions de récupération et de stockage des énergies fatales et renouvelables dans le bâtiment résidentiel. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer une approche globale permettant le choix et le dimensionnement de ces systèmes. Ce manque freine leur intégration au sein du bâtiment ainsi que l’évolution du bilan énergétique. Dans ce contexte, une modélisation de type « boites grises » qui se base sur un assemblage de modules (récupérations sur air extrait, sur eaux usées et solaire, stockages géothermique et en cuve) a été développée. Ce type de démarche permet une simplification importante du modèle complet et une réduction considérable du nombre de paramètres à déterminer. Il devient alors possible de mettre en place une méthode d’optimisation sous contrainte de type GPS afin d’aboutir à un dimensionnement physique. Une solution discrète est ensuite proposée grâce à une recherche dans des bases de données. Il est ainsi possible de répondre à la problématique et de proposer un dimensionnement cohérent du SThG®. / The goal of the SThG® project is to recycle, to store and to manage unavoidable and renewable energies in the residential building. The aim of the work performed is to fill the lack of research on global sizing of systems, which is a barrier to the evolution of the energy balance of the building. Indeed, available tools are not adapted to make optimized choices and to size systems as they are very time-consuming. That is why an alternative model has been found. This work can be divided into two main steps. The first one, consists in doing a simplified model of a building and its systems. The second one in applying optimization to have the best choice and the better sizing of those systems according to energy and economic criterions. To solve this problem a model has been developed and two blocks can be identified. The first block is composed of two main points: the establishment of a physical model and the physical optimization. First, a macroscopic model of a building and its systems (recovery, storage and generation) has been created. This model is as much as generic as possible in order to represent a huge part of systems. But, it is also precise to ensure a good description of the real way they work and to allow the link to systems after the physical optimization during block two. Secondly, a Global Pattern Search optimization is used to find the best physical solution according to the constraints of the situation. The second block permits to find solutions in a discrete data basis of systems. These two blocks allow a durability of the tool, indeed the mechanism of optimization depends on the physical model. It will be possible to enrich the data basis of the second block without reconsidering the first one. Thanks to this work, a consistent choice and sizing of systems can be found.

Une maladie ou un traumatisme du système visuel peut avoir des conséquences à long terme sur la vision. Cependant, des études récentes ont examiné la plasticité cérébrale comme moyen de restaurer une vision fonctionnelle malgré les dommages. Pour mieux comprendre l'implication de la plasticité et de la réorganisation neuronale suite à un déficit, ce mémoire étudie la récupération spontanée des fonctions visuelles par des tests comportementaux chez la souris. L’écrasement partiel du nerf optique (pONC), permettant une vision résiduelle, a été induit selon deux intensités. Les tests comportementaux des fonctions visuelles incluaient le réflexe optomoteur, qui mesure le réflexe du suivi visuel de la souris en réponse à un réseau sinusoïdal, ainsi que le test de la falaise visuelle qui évalue la perception de profondeur. Ces tests ont été effectués une fois avant le pONC, puis à plusieurs moments jusqu'à 28 jours post-opération. La survie des cellules ganglionnaires rétiniennes donnant naissance au nerf optique a ensuite été quantifiée. Les résultats ont montré qu’un pONC de haute intensité entraînait une cécité et une perte de la perception de profondeur, sans amélioration dans les 28 jours suivants, tandis qu’un pONC de faible intensité permettait une récupération partielle des deux paramètres. La perte des cellules rétiniennes était plus forte pour le pONC de haute intensité, surtout dans les régions proximales. Ces résultats montrent une récupération spontanée des fonctions visuelles, à part si le dommage cellulaire est trop important. / Disease or trauma to the visual system can cause long-term damage and severe visual deficits. However, recent research has turned to neural plasticity as a means to recover functional vision despite anatomical damage. To understand the involvement of neural plasticity and reorganization following a deficit, the present thesis investigated the spontaneous recovery of visual functions over time using behavioural tests in mice. Specifically, a partial optic nerve crush (pONC) was induced with two injury intensities, while still allowing for residual vision from surviving retinal cells. Behavioural assessments of visual functions included the optomotor reflex test, which measured the mouse’s tracking reflex in response to moving sinusoidal gratings, while the visual cliff test evaluated depth avoidance behaviour by simulating a cliff to observe the animal’s perception of depth. The tests were performed once before the injury, then at multiple time points up to 28 days. Retinal ganglion cell survival was subsequently quantified. Results showed that the high-intensity pONC led to a complete loss of visual acuity and depth avoidance, with no improvement in the following 28 days, whereas the low-intensity pONC showed a partial recovery. There were fewer surviving cells after the high-intensity pONC, especially in proximal regions. These results show evidence of spontaneous recovery of visual functions, but only with a certain amount of cell survival.

Ce travail de thèse a dans un premier temps permis de mettre en évidence les différentes pratiques de traitement de toiture existantes en France. Après avoir sélectionné la pratique de traitement majoritaire (à savoir le traitement biocide), le protocole d'analyse de la molécule la plus répandue dans les différents produits : le benzalkonium (ou alkyldiméthylbenzylammonium) a été développé. Ce protocole a ensuite été appliqué pour évaluer les niveaux de concentration en biocide dans l'eau de ruissellement de toiture après un traitement. Une double approche a été mise en œuvre : "Suivi sur une durée d'un an des flux de benzalkonium dans les eaux de ruissellement de 12 bancs d'essais exposés en conditions naturelles", évaluation en condition de pluie simulée au laboratoire de différents paramètres (nature du matériau de couverture, dosage du produit et intensité de la pluie) sur les processus d'émission du benzalkonium. Enfin, l'ensemble des données acquises ont permis d'évaluer l'incidence sur la contamination des eaux de ruissellement de toiture après un traitement biocide, à une échelle locale et à l'échelle d'un petit bassin versant résidentiel. Le suivi de la contamination des eaux de ruissellement par bancs d'essais a permis de mettre en évidence une très forte contamination en benzalkonium dans les premiers millimètres de pluie (5 à 27 mg/L), très supérieures aux EC50 disponibles pour les organismes aquatiques (5,9 µg/L) et dépendante de la nature du matériau de toiture utilisé, les tuiles en terre cuite ayant émis moins de biocide que les tuiles en béton. La contamination diminue avec la succession des pluies, mais reste significative plusieurs mois après le traitement. Par ailleurs, l'étude au laboratoire a montré que l'état de surface des tuiles influence beaucoup le lessivage. Ainsi, les tuiles très imperméables en surface ont émis une quantité de benzalkonium proportionnelle à la masse épandue lors du traitement, alors que les tuiles sans traitement de surface ne sont pas sensibles au dosage du produit. A l'échelle locale, des précautions doivent être prise lors d'un traitement de toiture vis-à-vis de la collecte / utilisation des eaux de ruissellement. En effet, les très fortes concentrations en benzalkonium dans les premières pluies suivant le traitement peuvent avoir des impacts sur les végétaux arrosés, sur l'équilibre microbien de la cuve de récupération, voir des effets irritants sur l'homme. Une déconnexion minimale de 3 à 5 mois de la cuve permettrait de limiter les risques. Enfin, sur la base des résultats des bancs d'essais et d'un travail d'enquête sur l'étendue des pratiques de traitement, les concentrations et flux de benzalkonium susceptibles d'être émis dans les eaux pluviales d'un bassin versant résidentiel ont été modélisés. Les résultats mettent en évidence une contamination significative des eaux pluviales, liée essentiellement à la phase particulaire. La masse annuelle de benzalkonium exportée dans les eaux pluviales pourrait être de l'ordre de 0,85 kg / ha imperméabilisé / an / Firstly, this thesis listed the different roof treatment practices in France. Once the major treatment practice selected (biocidal treament), the analytical protocol of the most widely used molecule (benzalkonium or alkyldimethylbenzylammonium) was developed. This protocol has been followed to evaluate the biocide concentration levels in roof runoff after a treatment. A double approach was considered : - Follow up of the benzalkonium flux for one year in runoff using 12 bench tests exposed to natural conditions. - Evaluation of the influence of different parameters (material, product dosage and rain intensity) on benzalkonium emmission processes with simulated rains. Finally, all the data acquired allowed the evaluation of the incidence of biocidal treatments on roof runoff contamination at different scales ( local and residential watershed). The results of the bench tests showed a very high benzalkonium contamination during the millimetres of rain (5 to 27 mg/L), higher than the different EC50s of aquatic organisms ( 5.9 ùg/L). Furthermore, the results showed an influence of the tile material on the release of benzalkonium : clay tiles were less washed off than concrete tiles. The contamination decreased with successive rains, but remained significantly high several months after treatment. Moreover, laboratory studies showed a proportional release of benzalkonium from waterproofed tiles with respect to the biocidal mass spread. On the contrary, tiles without any surface treatment were not sensitive to the product's dosage. On a local scale, precautions have to be taken during treatment with respect to the harvest / reuse of the runoff. Indeed, high benzalkonium concentrations during the first rains may have a potential impact on watered plants, microbial equilibrium in the collection tank and irritating effects on human. A deconnection of the tank for at least three to five months will reduce the risks. Finally, based upon the bench tests results and a survey on roof treatment practices, the benzalkonium concentrations and fluxes were injected in a mathematical model on a watershed scale. The results showed a significant contamination linked to the particles. The annual mass of benzalkonium transferred to the rainwaters could reach 0.85kg / waterproofed ha / year

La polyvalence de la technique de track-etching a permis d’étudier plus avant l’effet piezoélectrique direct et indirect d’un film polarisé en poly(fluorure de vinylidène) PVDF en créant des membranes nanostructurées hybrides de nanofils de nickel (Ni NWs)/PVDF. Les propriétés magnétiques du nanofil de nickel, telle que la magnétorésistance anisotrope (AMR), ont été exploitées afin d’étudier la réponse de l’aimantation à la déformation mécanique de la matrice PVDF. En particulier, les déformations ont été induites soit par contrainte thermo-mécanique, soit par contrainte électromécanique (effet piezoélectrique indirect). La sensibilité d’un nanofil unique a permis de déterminer l’amplitude et la direction de la contrainte mécanique exercée à l’échelle nanométrique par la matrice PVDF. La résistance exceptionnelle de la réponse piezoélectrique directe du film PVDF polarisé à l’irradiation, telle que l’irradiation aux ions-lourds accélérés et aux électrons (domaine de doses < 100kGy) a été observée. Mis à part la conservation de la réponse piezoélectrique, les défauts engendrés par l’irradiation dans ce domaine de dose (scissions de chaines, augmentation de phase crystalline, réticulations) ont eu un impact significatif sur la structure du matériau polymère. L’ensemble de ces défauts, les uns prépondérants en-dessous de la dose-gel ( 10kGy), les autres au-dessus, forme une compensation d’effets antagonistes qui mènent à une réponse piezoélectrique globalement inchangée. Stimulé par la grande résistance du PVDF à l’irradiation en termes de réponse piezoélectrique, l’idée a été d’exploiter, en vue d’une application dans la récupération d’énergie, le réseau de nanofils de nickel inclus dans la membrane en PVDF polarisé pour étudier l’influence des nanofils de nickel sur la l’efficacité piezoélectrique. La présence du réseau de nanofils de nickel mène à un accroissement non négligeable de l’efficacité piezoélectrique. Reliée à la présence des nanofils, une augmentation de la permittivité diélectrique dans le PVDF nanostructuré a également été enregistrée. Une polarisation interfaciale entre les nanofils de nickel et la matrice PVDF pourrait expliquer cette valeur accrue par rapport au PVDF nanoporeux sans nanofils. / The versatility of the track-etching technique has allowed to investigate deeper the direct and inverse piezoelectric effect of a polarized Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) film in building nanostructured hybrid Nickel nanowires (Ni NWs)/PVDF membrane. The magnetic properties of the Ni NW, such as anisotropic magneto resistance (AMR), are exploited to investigate the response of the magnetization to a mechanical deformation of the PVDF matrix. In particular, the deformations were induced either by thermo-mechanical or an electro-mechanical (inverse piezoelectric effect) stress. The sensitivity of the single NW has allowed to determine the amplitude and direction of a mechanical stress exerted at the nano-scale by the PVDF matrix. The outstanding resistance of the direct piezoelectric response of polarized PVDF film to radiation, such as SHI and e-beam, (doses range < 100kGy) was reported. Beyond the conservation of the piezoelectric response, in this dose range, irradiation defects (chain scissions, increase of the crystalline -phase, crosslinking) had a significative impact on the polymer material. All these defects, ones predominant above the gel dose (herein 10 kGy), and the other ones below, compensate their antagonistic effects towards the globally unchanged piezoelectric responses. Motivated by the high radiation resistance of the PVDF in terms of piezoelectric response, the idea was to exploit Ni NWs array embedded in the polarized PVDF membrane to study the influence of the Ni NWs on the piezoelectric response in view of harvesting energy application. The presence of the Ni NWs array leads a non-negligible increase of the piezoelectric efficiency. Related to the presence of the NWs, an increase of the dielectric permittivity in the nanostructured PVDF was also reported. An interfacial polarization between the Ni NWs and the PVDF matrix could explain the higher efficiency value respect to nanoporous PVDF, without NWs.

L'essor de l'internet des objets (IoT) et des capteurs autonomes et communicants semble être retardé en raison du manque de source d’énergie fiable, sûre et à faible coût. Les récupérateurs d’énergies thermoélectriques présentent ces avantages clés. Le silicium présente les avantages d'être très abondant, moins polluant et de bénéficier d'installations et de procédés technologiques permettant la production en série de récupérateurs d’énergies thermoélectriques à faible coût par rapport aux matériaux conventionnel (alliages de tellure de bismuth). Toutefois, le silicium est un matériau thermoélectrique médiocre en raison de sa conductivité thermique élevée ( ). La possibilité de réduire la conductivité thermique tout en préservant la conductivité électrique et le coefficient Seebeck est la clé pour améliorer le silicium en tant que matériau thermoélectrique efficace. À cette fin, les efforts sont orientés vers la partie phononique du transport de chaleur, qui constitue la contribution dominante dans les semi-conducteurs. Les recherches menées au cours de cette thèse ont porté sur l'intégration des membranes de silicium nanostructurées de réseaux phononiques dans des démonstrateurs de récupérateurs d’énergies thermoélectriques et leur caractérisation au regard de l'état de l’art. Les résultats de ces études ont démontré la faisabilité d’un récupérateur d’énergie thermoélectrique à base de silicium présentant des performances (De quelques µW/cm2 pour ΔT~5-10K à quelques mW/cm2 pour ΔT>100K) suffisantes pour l’alimentation en énergie de nœuds de capteurs autonomes et des performances comparables à celles d’un récupérateur (état de l’art) à base de tellure de bismuth en fonction des conditions de refroidissement de ces derniers. De plus, cette thèse a démontré, outre la récupération d'énergie, la possibilité de développer des refroidisseurs thermoélectriques à base de silicium, ouvrant la voie à une possible intégration de refroidisseurs thermoélectriques dans des dispositifs micro-électroniques à base de silicium. / The lack of reliable, safe and low-cost energy source seems to delay the blooming of the internet of things (IoT) and wireless sensors nodes. Thermoelectric harvesters feature those key advantages. Silicon presents the advantages to be most abundant, less environmental harmful and to benefit from facilities and technological processes for low cost thermoelectric harvesters mass production compared to the conventional materials (bismuth telluride alloys). However, silicon is a poor thermoelectric material due to its high thermal conductivity ( ). The possibility to reduce the thermal conductivity while preserving electrical conductivity and Seebeck coefficient is the key to upgrade silicon as an efficient thermoelectric material. To that end, efforts are oriented towards the phononic part of heat transport, which is the dominant contribution in semiconductors. The researches carried out during this thesis dealt with the integration of phonon engineered silicon membranes into thermoelectric harvester demonstrators and their characterizations with respect to the state of the art. The results demonstrated the feasibility of a silicon based thermoelectric harvester exhibiting performance (from few µW/cm2 for ΔT~5-10K to few mW/cm2 for ΔT>100K) sufficient for autonomous sensor nodes’ power supplying and comparable performance with the bismuth telluride state of the art harvester according to the harvesters’ cooling conditions. Moreover, this thesis demonstrated, in addition to the energy harvesting, the possibility of developing silicon based thermoelectric coolers, opening the way to possible integration of thermoelectric coolers in silicon based micro-electronic devices.

Chaque année au Québec, entre 22 et 24 millions de mètres cubiques de bois résineux sont transformés, principalement de l'épinette noire et blanche, du sapin baumier et du pin gris. L'épinette noire, espèce emblématique de la forêt boréale d'Amérique, a longtemps été à la base de l'industrie forestière et papetière du Québec. Aujourd'hui moins vitale à l'approvisionnement des papetières, elle est surtout appréciée dans l'industrie du bois d'œuvre et du bois d'ingénierie. La production de planches et de poutres de bois génère une quantité appréciable de résidus, dont des copeaux et des sciures, le plus souvent valorisés dans l'industrie du papier, du carton, des panneaux, des granules et de la bioénergie. Les hémicelluloses contenues dans le bois sont des composés hygroscopiques et très peu calorifiques, qui possèdent peu de valeur dans le contexte de la valorisation conventionnelle des résidus de bois. À partir des résidus de bois d'épinette, il est possible d'extraire des hémicelluloses de type galactoglucomannanes, avec des proportions variables de pectines, dexylanes et d'arabinogalactanes, en utilisant des procédés d'extraction à l'eau chaude pressurisée. Ces composés naturels presque entièrement constitués d'hexoses et de pentoses peuvent ensuite être valorisés dans la filière énergétique ou alimentaire alors que les sciures ou copeaux traités à l'eau peuvent être remis en circulation dans les industries existantes ou émergeantes de transformation des produits forestiers. La première partie de cette recherche présente une brève recherche de littérature sur les procédés d'extraction aqueux des hémicelluloses du bois, les procédés permettant leur isolement et les applications nouvelles de ces composés dans les secteurs nutraceutique et alimentaire, deux domaines d'application à haute valeur ajoutée. Sont ensuite présentés les paramètres d'un procédé à l'eau chaude, développé dans le cadre de ce projet de maîtrise, permettant la récupération d'hémicelluloses solubles de haut poids moléculaire chez Picea mariana, et son efficacité lorsque appliqué sur des résidus de taille moyenne, fine et très fine (≤ 4,0 mm, ≤ 0,6 mm et ≤ 0,2 mm d'épaisseur). Dans un deuxième temps, les caractéristiques de la fraction de haut poids moléculaire sont présentées et discutées, ainsi que l'analyse de sa fermentescibilité in vitro dans le but d'une application dans le domaine alimentaire. L'analyse de fermentescibilité in vitro des hémicelluloses solubles de haut poids moléculaire (HSHPM) extraites de Picea mariana, réalisée en milieu de culture Macfarlane en présence d'un consortium bactérien simplifié, a dévoilé d'intéressantes propriétés nutraceutiques de l'extrait, tel que sa capacité à être partiellement converti en acide butyrique (C₄H₈O₂) lors de la fermentation colique et sa capacité à inhiber la production de métabolites nocifs associés à la putréfaction. La fermentation colique des HSHPM durant une période de 30 h (comparée à celle des fibres d'inuline) a été corrélée, entre autres, à une augmentation de 200 ± 14 % du C₄H₈O₂ ainsi qu'à une diminution de 54 ± 2 % de l'azote ammoniacal, une diminution de 87 ± 2 % de l'isovalérate et une diminution de 81 ± 1 % de l'isobutyrate. Les extraits riches en HSHPM obtenus à partir de bois d'épinette noire pourraient ainsi représenter une nouvelle source de fibres fonctionnelles ayant des propriétés butyrogènes et donc bénéfiques pour la santé intestinale. / Between 22 and 24 million cubic meters of softwood logs are processed annually in the province of Quebec, mainly from black spruce, white spruce, balsam fir and Jack pine trees. Black spruce is beyond doubt the most emblematic species of the North American boreal forest. Spruce forests have been supplying the provincial and national forest economy for decades and remain a crucial resource for the Canadian timber industry. Lumber production generates important amount of wood residues, including chips and sawdust. Those residues are partly used by paper, cardboard, pellets, or particles board manufacturers. Wood and wood residues contain variable amount of water-soluble hemicelluloses, which are hygroscopic and low-calorific compounds of limited value for conventional wood products. There is a possibility, however, to extract a part of hemicelluloses from softwood residues using superheated water extraction techniques. The main hemicelluloses found in superheated water extracts of spruce's heartwood and sapwood are galactoglucomannans, but such extracts may also contain other minor softwood polysaccharides, such as pectin, methylated glucuronoxylans, and acidic arabinogalactans. These hemicelluloses are hexose-rich and easily fermentable polysaccharides with interesting commercial value (for bioethanol production and other non-wood applications). Their extraction is usually beneficial for further wood processing such as pulping and pelletizing. In this context, the first part of this research presents a short literature review of water-based hemicelluloses extraction processes, hemicelluloses isolation techniques and novel applications for the wood hemicelluloses in the food and nutraceutical industry, for which the hemicellulosic-rich extracts could be considered as high-value ingredients. We present the specific parameters of the water-based process worked out in this study to yield the extract containing the water-soluble high-molecular-weight hemicelluloses from Black spruce wood, and we also determine the efficacy of the superheated water extraction when applied on wood residues of different sizes (≤ 4.0 mm, ≤ 0.6 mm, ≤ 0.2 mm thickness). In the second part of the research, we discuss the results of chromatographic and spectroscopic analysis performed on the high molar mass fraction of the extract, along with its fermentability study (30h in vitro batch fermentation). The results of the fermentability study, performed in a Macfarlane growth medium inoculated with a simplified human gut microbiota, indicated that the high molecular weight fraction (HMWF) of the Black spruce superheated water extract has interesting nutraceutical properties. Notably, the fraction was partially converted into butyric acid (C₄H₈O₂) during a 30 h colonic fermentation and was able to inhibit the production of harmful metabolites associated with putrefaction. Among others, the growth medium containing the HMWF of the Black spruce extract showed a 200 ± 14 % increase of C₄H₈O₂, a 54 ± 2 % inhibition of ammonia, an 87 ± 2 % inhibition of isovalerate and an 81 ± 1 % inhibition of isobutyrate when compared to a control growth medium containing prebiotic inulin fibers. Our results support that high molecular weight hemicelluloses extracted from Black spruce wood are fermentable fibers that could significantly contribute to gastrointestinal health.