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Cette thèse est consacrée à la mécanique et à la mécanique statistique de biofilaments/biopolymères et de leur modèle le plus répandu le Worm-Like Chain (WLC) qu’il s’avère nécessaire d’étendre. Nous étudions WLC à 2-d en présence d’obstacles plus proches que la longueur de persistance. Nous caractérisons le mouvement aux temps courts par des simulations numériques complétées par des calculs analytiques. Des concepts similaires servent à décrire des ADN greffés balayés par le front d’une vésicule en cours d’étalement, l’adhésion de la vésicule est promue par des paires biotine/streptavidine qui contraignent les molécules d'ADN sur des chemins étroits où ils peuvent être imagés. Les microtubules (MT) ici stabilisés au taxol, présentent par contre certains comportements qui échappent au WLC et doivent être ramenés à leur structure interne : i)les déflexions latérales d’un MT attaché par un bout correspondent à une longueur de persistance apparente qui augmente avec la longueur ii) les MT adoptent des formes super-hélicoïdales. Ces deux points sont établis au moyen d’analyses de forme des MT. Des transitions de forme corrélées le long du MT mises en évidence sont compatibles avec un modèle basé sur la bistabilité du dimère de tubuline. Finalement un modèle de chaîne super-hélicoïdale comprenant une courbure et une torsion spontanées élargi le WLC. Confiné à 2-d, HWLC peut adopter un état fondamental circulaire ou sinueux caractérisé par le nombre de points d’inflexion où se concentre la torsion (twist-kink). Dans le cas circulaire, il existe des états métastables proches, à petit nombre de twist-kinks, hyperflexibles. / This PhD is devoted to the mechanics and statistical mechanics of biofilaments and their most widespread model, the Worm-Like Chain (WLC) model, which, as it turns out, needs to be extended. We study the WLC in 2-d in the presence of obstacles closer than their persistence length. We characterize the short time motion by numerical simulations complemented by analytical calculations. Similar concepts serve to describe grafted DNAs swept by the front of a spreading vesicle whose adhesion is promoted by biotin/streptavidin bonds, which constrain the DNAs on narrow paths where they can be imaged. Microtubules (MT), here stabilized by taxol, show features which cannot be rationalized by the WLC and shall be related to their internal structure : i)lateral deflections of a clamped MT correspond to an effective persistence length growing with the MT size ii) MT adopt super-helical shapes. These two points are proven by refined image analysis. We analyze shape transitions correlated along the MT which are compatible with a model based on dimer bi-stability. Finally, a super helical chain model (HWLC) allowing for spontaneous curvature and twist is developed which extends the WLC. When confined to 2-d, the HWLC can adopt a ground state which is circular or wavy with inflection points where twist accumulates, so-called twist-kinks. In the circular case there exist close metastable states, with a small number of twist-kinks, which are hyperflexible.

Les barchanes sont des dunes en forme de croissant qui se forment sous des vents unidirectionnels (en moyenne). Ces structures ont fait l'objet ces dernières années de nombreuses études, directement sur le terrain et également numériquement au laboratoire. Néanmoins, ces objets ont une extension spatiale minimale de l'ordre de 10 m, et de ce fait aucune expérience en laboratoire n'avait réussi à reproduire des barchanes à petite échelle. Nous présentons, ici, une méthode simple et fonctionnelle, permettant d'outrepasser cette limitation. Cette méthode consiste à étudier directement les barchanes sous l'eau plutôt que dans l'air. Celles-ci se comportent en effet qualitativement et quantitativement comme leurs soeurs éoliennes, mais à l'échelle 1/1000ème. Alliée à une modélisation numérique qui permet de comprendre l'origine de la forme en croissant comme le résultat de la déflexion latérale des grains roulant sur son dos, cette expérience montre alors tout son potentiel en se penchant sur des problématiques jusqu'alors impossible à étudier. Nous étudions ainsi expérimentalement et numériquement la nucléation des barchanes, les interactions entre barchanes voisines dans ce que l'on appelle les corridors de dunes et même les collisions de deux barchanes et les retournements de vent. Finalement, nous discutons de la stabilité de ces objets, à court terme et à long terme, ce qui nous permet de montrer la grande sensibilité des morphologies et des dynamiques des barchanes par rapport aux propriétés du flux de sable. En marge de cette étude, nous présentons une étude expérimentale d'un phénomène acoustique envoûtant : le chant des dunes.

The crystallization and melting behavior of linear polyethylene and of a series of random ethylene/styrene copolymers was investigated using a combination of classical and temperature modulated differential scanning calorimetry. In the case of linear polyethylene and low styrene content copolymers, the temporal evolutions of the melting temperature, degree of crystallinity, and excess heat capacity were studied during crystallization. The following correlations were established: 1) the evolution of the melting temperature with time parallels that of the degree of crystallinity, 2) the excess heat capacity increases linearly with the degree of crystallinity during primary crystallization, reaches a maximum during the mixed stage and decays during secondary crystallization, 3) the rates of shift of the melting temperature and decay of the excess heat capacity lead to apparent activation energies that are very similar to these reported for the crystal ac relaxation by other techniques. Strong correlations in the time domain between the secondary crystallization and the evolution of the excess heat capacity suggest that the reversible crystallization/melting phenomenon is associated with molecular events in the melt-crystal fold interfacial region. In the case of higher styrene content copolymers, the multiple melting behavior at high temperature is investigated through studies of the overall crystallization kinetics, heating rate effects and partial melting. Low melting crystals can be classified into two categories according to their melting behavior, superheating and reorganization characteristics. Low styrene content copolymers still exhibit some chain folded lamellar structure. The shift of the low melting temperature with time in this case is tentatively explained in terms of reorganization effects. Decreasing the crystallization temperature or increasing the styrene content leads to low melting crystals more akin to fringed-micelles. These crystals exhibit a lower tendency to reorganize during heating. The shift of their melting temperature with time is attributed to a decrease in the conformational entropy of the amorphous fraction as a result of constraints imposed by primary and secondary crystals. To further understand the mechanism of formation of low melting crystals, quasi-isothermal crystallization experiments were carried out using temperature modulation. The evolution of the excess heat capacity was correlated with that of the melting behavior. On the basis of these results, it is speculated that the generation of excess heat capacity at high temperature results from reversible segmental exchange on the fold surface. On the other hand, the temporal evolution of the excess heat capacity at low temperature for high styrene content copolymers is attributed to the reversible segment attachment and detachment on the lateral surface of primary crystals. The existence of different mechanisms for the generation of excess heat capacity in different temperature ranges is consistent with the observation of two temperature regimes for the degree of reversibility inferred from quasi-isothermal melting experiments. In a second project, the chain length and temperature dependences of spherulitic growth rates were studied for a series of narrow fractions of poly(ethylene oxide) with molecular weight ranging from 11 to 917 kg/mol. The crystal growth rate data spanning crystallization temperatures in regimes I and II was analyzed using the formalism of the Lauritzen-Hoffman (LH) theory. Our results are found to be in conflict with predictions from LH theory. The Kg ratio increases with molecular weight instead of remaining constant. The chain length dependence of the exponential prefactor, G0, does not follow the power law predicted by Hoffman and Miller (HM). On this basis, the simple reptation argument proposed in the HM treatment and the nucleation regime concept advanced by the LH model are questioned. We proposed that the observed I/II regime transition in growth rate data may be related to a transition in the friction coefficient, as postulated by the Brochard-de Gennnes slippage model. This mechanism is also consistent with recent calculations published by Toda in which both the rates of surface nucleation and substrate completion processes exhibit a strong temperature dependence. / Ph. D.

This PhD is devoted to the mechanics and statistical mechanics of biofilaments and their most widespread model, the Worm-Like Chain (WLC) model, which, as it turns out, needs to be extended. We study the WLC in 2-d in the presence of obstacles closer than their persistence length. We characterize the short time motion by numerical simulations complemented by analytical calculations. Similar concepts serve to describe grafted DNAs swept by the front of a spreading vesicle whose adhesion is promoted by biotin/streptavidin bonds, which constrain the DNAs on narrow paths where they can be imaged. Microtubules (MT), here stabilized by taxol, show features which cannot be rationalized by the WLC and shall be related to their internal structure : i)lateral deflections of a clamped MT correspond to an effective persistence length growing with the MT size ii) MT adopt super-helical shapes. These two points are proven by refined image analysis. We analyze shape transitions correlated along the MT which are compatible with a model based on dimer bi-stability. Finally, a super helical chain model (HWLC) allowing for spontaneous curvature and twist is developed which extends the WLC. When confined to 2-d, the HWLC can adopt a ground state which is circular or wavy with inflection points where twist accumulates, so-called twist-kinks. In the circular case there exist close metastable states, with a small number of twist-kinks, which are hyperflexible.

Cette étude visait à améliorer la compréhension des principaux phénomènes (interdiffusion et cristallisation) impliqués dans l'adhésion de composites thermoplastiques semi-cristallins (PEEK ou PPS renforcés de fibres de carbone) et à optimiser le procédé d'empilement avec soudage et consolidation en continu. L'utilisation d'un nouveau dispositif expérimental de soudage a permis de découpler les paramètres du procédé (temps, température, pression), et d'explorer leurs effets sur la qualité des assemblages réalisés, évaluée par test de clivage en coin. Les cinétiques de cristallisation ont été déterminées expérimentalement, dans des conditions similaires aux essais de soudage, puis modélisées. Les temps de relaxation des polymères ont été caractérisés par rhéologie pour évaluer les cinétiques d'interdiffusion. Finalement, l'évolution de la température d'interface lors du procédé a été étudiée expérimentalement et modélisée pour expliquer les différences d'énergie d'adhésion mesurées.

La présence de matière biologique (biofilms) dans les sites de stockage géologique profond, d'éléments toxiques ou encore de l'eau potable des aquifères est maintenant clairement démontrée. Cette biomasse est à l'origine de processus physiques et chimiques qui modifient considérablement la durabilité et la pérennité des sites concernés. Ces processus, principalement de type oxydo-réductif, sont encore mal compris. Ceci est principalement dû aux méthodes d'investigation, principalement macroscopiques, loin de l'échelle micrométrique caractéristique des bactéries. Seules des études, basées sur des méthodes d'investigation locale, peuvent apporter les informations requises. Ainsi, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur l'utilisation combinée de la microscopie optique (en transmission), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie AFM en mode électrique et électrochimique (EC_AFM) afin d'obtenir des informations simultanées sur la topographie de l'échantillon et sur les processus électrochimiques à l'échelle des bactéries. La première étape sensible consistait à utiliser l'AFM sur des échantillons biologiques en milieu liquide: nous présentons ici les résultats de l'imagerie AFM en milieu liquide de plusieurs types de bactéries dans leurs conditions physiologiques naturelles (conditions in vivo). Aucun protocole d'immobilisation, ni chimique ni mécanique, n'a été nécessaire; et pour la première fois, les mouvements de reptation de cyanobactéries Nostoc ont été étudiés par l'AFM. Les études AFM ont permis d'acquérir des données topographiques mais aussi mécaniques : nous avons pu ainsi mesurer le module d'Young, la pression de turgescence de différentes souches bactériennes (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Cette étude complète, a révélé que l'imagerie AFM est donc possible sur des espèces vivantes en mouvement. Ces résultats ouvrent une grande fenêtre sur de nouvelles études d'intérêts tels que la formation de biofilms et les propriétés dynamiques de bactéries dans des conditions physiologiques réelles. La deuxième étape délicate était de combiner l'AFM aux mesures optiques et électriques. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental permettant (i) le suivi de l'évolution de la croissance bactérienne par la mesure des propriétés optiques comme la densité optique DO (pour le développement bactérien en volume - milieu planctonique) , ou l'analyse de l'image du substrat par comptage du nombre de bactéries sur la surface de l'échantillon (biofilm), et (ii) les mesures électriques et électrochimiques. L'ensemble de ces résultats sera prochainement appliqué au développement de nouveaux outils de surveillance d'une biodépollution de terrain contaminé par les hydrocarbures, par le suivi in situ et en temps réel de l'activité de bactéries dépolluantes (ECOTECH_BIOPHY ANR).