Ce travail de doctorat concerne le stockage des déchets radioactifs à vie longue et haute activité en site géologique profond. Dans le concept actuellement retenu par l’Andra (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs), c’est une enveloppe en acier non allié, appelée « surconteneur », qui sera au contact de l’environnement. Dans les conditions anoxiques où se retrouvera l’acier après une période initiale relativement courte, des vitesses de corrosion très faibles sont attendues, ce qui garantirait l’intégrité du surconteneur pour des millénaires. Cependant, il n’est pas exclu que des bactéries sulfurogènes puissent se développer à proximité ou au contact du surconteneur et modifier localement la cinétique de la corrosion via les espèces sulfures produites par leur métabolisme. L’objectif de cette thèse consistait à améliorer notre compréhension du système de corrosion constitué de l’acier, de sa couche de rouille essentiellement composée de sidérite FeCO3 et d’un électrolyte sulfuré.Pour ce faire, il a été nécessaire dans un premier temps de caractériser par microspectroscopie Raman les sulfures de fer impliqués dans les processus de corrosion et d’étudier les mécanismes de leur formation et de leur transformation dans différentes conditions de concentration en Fe(II) et S(-II), de pH, de température et d’oxygénation. Il a pu être démontré que le spectre Raman de la mackinawite FeS, composé qui précipite à partir de Fe(II) et S(-II) dissous dans toutes les conditions considérées ici, évoluait avec la cristallinité et l’oxydation du composé. Par ailleurs, les mécanismes de l’oxydation à 80°C en milieu acide anoxique de la mackinawite en greigite Fe3S4 ont pu être décrits. Cette étude a permis de démontrer que les sulfures de fer souvent présents sur les objets archéologiques ferreuxissus de milieux anoxiques sont soit de la mackinawite, soit étroitement apparentés à la mackinawite.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la formation de produits de corrosion carbonatés par polarisation anodique d’électrodes d’acier à température ambiante dans des électrolytes désaérés à base de NaHCO3. Les conditions expérimentales permettant d’obtenir la sidérite ont été re précisées et utilisées pour synthétiser des couches modèles de FeCO3 sur acier. Par ailleurs, il a été observé que la rouille verte carbonatée était le principal produit se formant aux faibles concentrations en espèces carbonates (0,003 et 0,1 mol L-1 par exemple),la sidérite se formant aux fortes concentrations (0,5 et 1 mol L-1). Les conditions permettant la formation de la chukanovite, l’hydroxycarbonate de Fe(II) de formule Fe2(OH)2CO3, n’ont pas pu être explicitées, même si cette phase a été obtenue dans un électrolyte contenant à la fois des ions SO42- et HCO3- à la concentration de 0,03 mol L-1.Enfin, les interactions entre sulfures et produits de corrosion ont été étudiées. La sidérite, la lépidocrocite et la goethite sont toutes réactives vis-à-vis des sulfures. Ainsi, il apparaît clairement que les espèces sulfures produites par les BSR devraient interagir avec la couche de produits de corrosion avant d’interagir avec le métal sous-jacent. Les tests effectués sur des analogues archéologiques du 16ème siècle, immergés deux mois dans des solutions sulfurées en conditions anoxiques ont permis de le démontrer. Le principal effet de cette immersion a été la formation de sulfures de fer à l’interface entre la couche dense de produits de corrosion, essentiellement constituée de sidérite, et le milieu transformé, zone où s’entremêlent les minéraux propres au sol et ceux produits par la corrosion du fer. Les espèces sulfures n’ont pas été détectées au voisinage immédiat de la surface du métal. / This PhD work deals with the nuclear waste disposal. In France, it is envisaged byAndra (French national radioactive waste management agency) that high-level radioactivewastes will be confined in a glass matrix, stored in a stainless steel canister, it self placed in a carbon steel overpack. The wastes will then be stored at a depth of ~500 m in a deep geological repositery, drilled in a very stiff (indurated) clay (argillite) formation. The kineticsof corrosion expected for the overpack in this disposal concept are low and will stay low if the somehow protective rust layer that will develop initially on the steel surface remains undamaged. Local changes of the physico-chemical conditions may however degrade this layer and induce accelerated kinetics of corrosion. In particular, the growth of sulphate reducing bacteria (SRB) close to the steel overpack cannot be excluded and the sulphid especies these micro-organisms produce may modify the corrosion process. The aim of this work was then to achieve a better understanding of the corrosion system constituted with steel, its rust layer mainly made of siderite FeCO3, and a sulphide-containing electrolyte.First, it proved necessary to characterise the iron sulphides involved in the corrosion processes by Raman micro-spectroscopy so as to study their formation and transformation mechanisms in various conditions of Fe(II) and S(-II) concentration, pH, temperature andaeration. It could be demonstrated that the Raman spectrum of mackinawite FeS, thecompound that precipitated in any case from dissolved Fe(II) and S(-II) species with the experimental conditions considered here, depended on the crystallinity and oxidation state.Moreover, the mechanisms of the oxidation of mackinawite into greigite Fe3S4 in acidicanoxic solutions at 80°C could be described. Finally, iron sulphides, often present on archaeological artefacts, could be identified using Raman micro-spectroscopy. The compounds present were mainly mackinawite and greigite.Secondly, to investigate the nature and properties of carbonated rust layers, carbonsteel electrodes were polarised anodically in NaHCO3 electrolytes continuously de-aerated byan argon flow. The experiments were performed at room temperature. The carbonated greenrust was observed to form at 0.003 and 0.1 mol L-1 NaHCO3 whereas FeCO3 was obtained atthe largest concentrations (0.5 and 1 mol L-1). Additional experiments were performed similarly in solutions of NaHCO3 and Na2SO4. Chukanovite, the Fe(II) hydroxycarbonate with formula Fe2(OH)2CO3, could be obtained in solutions containing 0.03 mol L-1 of eachsalt.Finally, interactions between sulphide species and corrosion products were studied.Siderite, goethite and lepidocrocite proved to be reactive towards sulphide. So, it seems clear that sulphide species produced by SRB should interact with the rust layer before to reach the metal underneath. Tests were performed with ferrous archaeological artefacts immersed 2months in anoxic sulphide-containing electrolytes to demonstrate it. The main effect of theimmersion was the formation of iron sulphide at the interface between the dense corrosion products layer, mainly constitute of siderite, and the transformed medium, where minerals ofthe soil are mixed with corrosion products. Sulphide species were not detected at the vicinityof the iron surface.

Corrosion of metallic materials is a natural process, and our study shows that even in an alkaline environment severe corrosion may occur on a carbon steel surface. While corrosion cannot be stopped it can be retarded. Many of the traditional anti-corrosion approaches such as the chromate process are effective but hazardous to the environment and human health. Mefp-1, a protein derived from blue mussel byssus, is well known for its extraordinary adhesion and film forming properties. Moreover, it has been reported that Mefp-1 confers a certain corrosion protection for stainless steel. All these facts indicate that this protein may be developed into corrosion inhibitors with ‘green’, ‘effective’ and ‘smart’ properties. In this study, a range of surface-sensitive techniques have been used to investigate adsorption kinetics, film forming and film compaction mechanisms of Mefp-1. In situ atomic force microscopy (AFM) enables the protein adsorption on substrates to be visualized, whereas the ex situ AFM facilitates the characterization of micro- and nano-structures of the protein films. In situ Peak Force AFM can be used to determine nano-mechanical properties of the surface layers. The quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) was used to reveal the build-up of the Mefp-1 film on substrates and measure the viscoelastic properties of the adsorbed film. Analytical techniques and theoretical calculations were applied to gain insights into the formation and compaction processes such as oxidation and complexation of pre-formed Mefp-1 films. The electron probe micro analyzer (EPMA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were utilized to obtain the chemical composition of the surface layer. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements were performed to evaluate the corrosion inhibition efficiency of different forms of Mefp-1 on carbon steel substrates. The results demonstrate that Mefp-1 adsorbs on carbon steel surfaces across a broad pH interval, and it forms a continuous film covering the substrate providing a certain extent of corrosion protection. At a higher pH, the adsorption is faster and the formed film is more compact. At neutral pH, results on the iron substrate suggest an initially fast adsorption, with the molecules oriented preferentially parallel to the surface, followed by a structural change within the film leading to molecules extending towards solution. Both oxidation and complexation of the Mefp-1 can lead to the compaction of the protein films. Addition of Fe3+ induces a transition from an extended and soft protein layer to a denser and stiffer one by enhancing the formation of tri-Fe3+/catechol complexes in the surface film, leading to water removal and film compaction. Exposure to a NaIO4 solution results in the cross-linking of Mefp-1, which also results in a significant compaction of the pre-formed protein film. Mefp-1 is an effective corrosion inhibitor for carbon steel when added to an acidic solution, and the inhibition efficiency increases with time. As a film-forming corrosion inhibitor, the pre-formed Mefp-1 film provides a certain level of corrosion protection for short term applications, and the protection efficiency can be significantly enhanced by the film compaction processes. For the long term applications, a thin film composed of Mefp-1 and ceria nanoparticles was developed. The deposited Mefp-1/ceria composite film contains micro-sized aggregates of Mefp-1/Fe3+ complexes and CeO2 particles. The Mefp-1/ceria film may promote the further oxidation of ferrous oxides, and the corrosion resistance increases with time. Moreover, phosphate ions react with Fe ions released from the surface and form deposits preferentially at the surface defect sites. The deposits incorporate into the Mefp-1/ceria composite film and heal the surface defects, which result in a significantly improved corrosion inhibition effect for the Mefp-1/ceria composite film in both initial and prolonged exposure situations / <p>QC 20130610</p>

La peau assure la protection de l’organisme contre les agressions extérieures. Pourtant, la peau n’est pas à l’abri des effets inéluctables du vieillissement chronologique. En effet, ce processus a pour conséquence d’altérer la structure des différentes couches cutanées au point d’en affecter leurs caractéristiques fonctionnelles. Ce travail de thèse a pour but de caractériser les modifications moléculaires et structurales de la peau au cours du vieillissement chronologique à l’aide de méthodes non-invasives que sont les spectroscopies optiques vibrationnelles. Ainsi avons-nous pu mettre en évidence des altérations structurales du réseau de collagène dans des échantillons de peaux d’âges différents à l’aide d’une approche basée sur l’imagerie IR-TF (Infrarouge à Transformée de Fourier) en mode polarisé. Par la suite, nous avons démontré l’influence des molécules d’eau sur les changements d’orientation des fibres de collagène avec l’âge en adoptant une méthodologie basée sur la substitution, thermodynamiquement favorable, des molécules d’eau liée au collagène (H2O) par des molécules d’eau deutérée (D2O). Lors d’études réalisées in vivo, nous avons établi des corrélations entre les propriétés physiques (mécanique et statut d’hydratation) et les informations moléculaires du stratum corneum (SC) en traitant les données Raman et biométriques par la méthode des moindres carrés partiels (PLS). En s’appuyant sur la complémentarité des techniques biophysiques employées, ces différentes études ont permis d’illustrer le potentiel des spectroscopies vibrationnelles pour évaluer le vieillissement cutané et en déterminer certaines bases moléculaires. / The skin protects the body against external aggressions. However, the skin is not immune to the inevitable effects of the chronological aging. Indeed, this process leads to several structural alterations of the different cutaneous layers to the point of affecting their functional characteristics. This thesis work aims to assess the molecular and structural changes of the skin during chronological aging by using non-invasive methods such as optical vibrational spectroscopies. To do this, we highlighted the structural modifications of the collagen network in different-aged skin samples by using an approach based on FT-IR imaging (Fourier Transform Infrared) in polarized mode. Subsequently, we demonstrated the influence of water molecules on the changes of collagen fibers with age by adopting a methodology based on the substitution, thermodynamically favorable, of the collagen-bound water molecules (H2O) by deuterated water molecules (D2O). In in vivo studies, we have established correlations between physical and molecular properties of the stratum corneum (SC) by analyzing the Raman and biometric measurements with the Partial Least Squares (PLS) processing. Based on the complementarity of the biophysical techniques employed, these studies permitted to evaluate the impact of the chronological aging on the skin and could open some interesting prospects in both cosmetology and dermatology.

La peau est l’organe le plus étendu du corps humain. Doté d’une membrane biologique fine appelée la couche cornée, celle-ci le protège du desséchement et des agressions extérieures chimiques ou mécaniques auxquelles le corps humain doit faire face. Ce travail de thèse a consisté, dans un premier temps, à décrire via la littérature existante les effets de l’âge,dûs au vieillissement intrinsèque et extrinsèque,sur la physiologie cutanée du Stratum Corneum (SC).La partie expérimentale basée sur la microscopie vibrationnelle traitera des variations de la fonction barrière et de l’hydratation du SC lors du vieillissement chronologique et photo-vieillissement. D’autres méthodes ont également été utilisées comme la chromatographie liquide en phase normale couplée à la spectrométrie de masse haute résolution dotée d’une source APCI et d’un détecteur Orbitrap pour l’étude de la composition détaillée des lipides du SC ainsi que des méthodes plus globales comme la PIE ou la cornéométrie. Le caractère non invasif de toutes ces méthodes a permis de réaliser ces études in vivo. L’évolution de la fonction barrière a été étudiée aux niveaux tissulaire, moléculaire et supramoléculaire par micro-spectroscopie confocale Raman et spectroscopie Infrarouge. Puis le lien moléculaire a été fait entre le vieillissement intrinsèque et les céramides de la matrice lipidique intercornéocytaires par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. Les molécules discriminantes entre population jeune et âgée ont été déterminées par analyse chimiométrique. L’évolution de l’hydratation cutanée aux niveaux tissulaire, moléculaire et supramoléculaire a également été l’objet d’une investigation approfondie. Les variations de la composition des NMF et la teneur en eau dans le SC lors du vieillissement cutané ont été mises en lumière en utilisant des descripteurs spectraux Raman. Les variations structurelles des molécules d’eau impactant l’organisation supramoléculaire des édifices lipidiques ont également été évaluées. Au cours du vieillissement, la fonction barrière cutanée et hydratation sont conservées. / Skin is the external surface defining the human body in space. Its outer-most layer is a thin biological membrane, called Stratum Corneum(SC), that protects the internal organs from desiccation as well as chemical or mechanical external aggressions. The present thesis aimsin a first step, to summarize the current knowledge regarding the effects of intrinsic and extrinsic aging on SCphysiology,based on available literature. The experimental part addresses the gaps in our understanding of the effects of chronological aging and photoaging on the SC barrier function and hydration, using traditional methods (such as trans epidermal water loss and skin conductance) as well as more advanced ones (vibrational spectroscopies, liquid chromatography in normal phase tandem mass spectrometry high resolution with an APCI source and an Orbitrap detector. As these methods are non-invasive, all studies have been carried out in vivo. The evolution of the barrier function has been studied at the tissular, molecular and supramolecular levels using confocal Raman micro-spectroscopy and infrared spectroscopy. Then the link between the intrinsic aging and the ceramides of the intercorneocytary lipid matrix has been studied by liquid chromatography tandem mass spectrometry. The discriminant molecules between young and old population have been identified by a chemometric analysis. The evolution of cutaneous hydration at the tissular, molecular and supramolecular level has also been investigated. The variations in the NMF composition and the SC water content have been studied by Raman spectral descriptors. Moreover, the structural variations of water molecules impacting the supramolecular organization of the lipid structures have been evaluated. Chronological aging and chronic exposure to environmental factors mildly affect SC barrier function and hydration levels. However, the processes controlling these properties are affected by aging in a site-dependent fashion.