Les azaphosphatranes sont des entités relativement peu utilisées en catalyse organique. Cependant, ils se sont révélés être de bons catalyseurs pour la réaction de couplage entre des époxydes et le dioxyde de carbone pour former des carbonates cycliques. Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de la réactivité des azaphosphatranes pour la synthèse de carbonates cycliques. Tout d'abord, une étude du confinement à différentes échelles a été réalisée. Les catalyseurs ont été étudiés en présence de silice mésoporeuse de type SBA-15 qui exacerbent leur activité. L'ajout d'un solvant ou de silice entraîne des modifications de mécanisme. La synthèse d'azaphosphatrane encagé au sein d'hémicryptophane a permis d'étudier l'effet d'un double confinement au sein d'une macromolécule et d'un matériau. Ensuite, les azaphosphatranes ont été fonctionnalisés à différentes positions par des groupements activateurs de l'époxyde ou du dioxyde de carbone. Enfin, différentes approches de synthèse de carbonates cycliques énantioenrichis ont été testées. La chiralité a été introduite par le biais de centres asymétriques sur les bras de l'azaphosphatrane ou par le confinement au sein d'un hémicryptophane chiral. Des silices chirales obtenues soit par empreinte moléculaire de proline ou par greffage covalent d’organosilanes chiraux ont également été testées. / Azaphosphatranes have rarely been applied as organocatalysts in organic transformations. Nevertheless, they have recently proved to be efficient single-component metal-free catalysts for the production of cyclic carbonates from epoxides and carbon dioxide. The goal of this work is to optimize the reactivity of azaphosphatrane based catalysts towards greater CO2 fixation into cyclic carbonates. First, they have been used in conjunction with mesoporous silica of the SBA family. A positive synergy, depending on the nature of the counter-anion, was demonstrated leading to better yields in cyclic carbonates. Adding a solvent or silica was shown to drive to a change in the reaction mechanism as evidenced by kinetic studies. Then, different activating functional groups were introduced at different position of the catalyst structure to further activate epoxide or carbon dioxide substrates. Finally, the kinetic resolution of racemic epoxides in the presence of CO2 was investigated. Different approaches to chiral induction have been explored including the introduction of asymmetric carbons on azaphosphatranes, the use of induced chirality with cyclotriveratrylene unit in hemicryptophane moiety. Chiral imprinted with amino acids and chiral grafted mesoporous silicas have also been studied.

De manière générale, les composites oxyde/oxyde sont la plupart du temps élaborés par frittage, par voie sol-gel ou par infiltration en phase gazeuse, CVI (« Chemical vapor infiltration »). Ces techniques d’élaboration comportent de nombreuses étapes engendrant un temps long d’élaboration ce qui peut entraîner une détérioration des propriétés du composite. Cette thèse s’intéresse à un procédé original et rapide de densification de préformes fibreuses développé par le Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) : la caléfaction. Ce procédé est connu pour élaborer des composites C/C ou C/SiC à partir d’un précurseur liquide. Cependant, la possibilité d’élaborer des composites oxyde/oxyde n’a jamais été testée. L’objectif de ce travail est d’étudier la réalisation de composites oxydes/oxydes par ce procédé. Plusieurs matrices ont été réalisées telles que la silice, l’alumine et le système ternaire aluminosilicate de baryum, BaSi2Al2O8. Plusieurs paramètres expérimentaux ont été étudiés tels que la température d’élaboration, le temps de manipulation et la composition du précurseur. Des caractérisations microstructurales et physico-chimiques ont permis de caractériser les matériaux élaborés. Plusieurs modifications ont été apportées au montage expérimental afin de permettre une meilleure reproductibilité des essais et un meilleur suivi thermique lors de l’élaboration de matrice oxyde. / Nowadays, oxide/oxide composites are most of the time developed by sintering, sol-gel process or CVI (Chemical Vapor Infiltration). These techniques include many steps of synthesis leading to a long time of synthesis and possible deteriorations of the properties of the composite. This thesis focuses on an original and rapid process developed by French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA): the film boiling chemical vapor infiltration. This technique is already used to synthesize C/C and C/SiC composites but works have never focused on oxide/oxide composites. The main goal of this thesis is to synthesize oxide/oxide composites by film boiling chemical vapor infiltration. Works were focused on alumina, silica and barium aluminosilicate matrices. Several experimental parameters were studied: temperature, time and liquid precursor. Microstructural and physicochemical characterizations were done on composites. Several modifications of the experimental setup have been made in order to allow a better reproducibility of the tests and a better thermal monitoring.

La dynamique moléculaire gros-grain nous permet d'étudier l'interface polymère / silice. En particulier, nous comparons les comportements divergents du poly(acrylamide) (PAAm) et du poly(N,Ndimethylacrylamide) (PDMA) sur la surface de silice. Tout d'abord, nous montrons que les comportements macroscopiques du PAAm et du PDMA sont correctement représentés par un modèle contenant un solvant explicite. Nous utilisons ensuite la méthode d'énergie libre umbrella sampling afin d'examiner le détachement du PAAm et du PDMA de la surface de silice et d'étudier les caractéristiques importantes qui permettent ou non à la chaîne de polymère de rester adsorbée sur la surface de silice. Nous soulignons l'importance des interactions intra moléculaires au sein du polymère ainsi que les interactions polymère/surface qui déterminent l'adsorption du polymère sur la silice. De manière surprenante, les interactions solvant/polymère et solvant/surface ne sont pas des critères discriminants lors de l'adsorption des polymères sur la surface. Les polymères sont finalement contraints de s'adsorber sur deux surfaces de silice séparées de 200 Å. Ce système nous permet d'analyser l'évolution de la labilité des monomères ainsi que la force appliquée par les monomères sur la surface quand la distance entre les deux surfaces augmente. / Polymer/silica interface is investigated using coarse-grained molecular dynamics simulations. In particular, the different behavior of poly(acrylamide) (PAAm) and of poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) on the silica surface is compared. First, we show that the macroscopic behavior of PAAm and of PDMA is correctly represented by a model containing an explicit solvent. Then, the umbrella sampling free energy method is used to probe the detachment of PAAm and of PDMA from a silica surface and to investigate important features that allow - or not - the polymer chain to remain adsorbed on the silica surface. We proved that intramolecular interactions within the polymer and polymer/surface interactions are of first importance for the polymer chain to adsorb on silica. Surprisingly, solvent/polymer as well as solvent/surface interactions are not discriminating criteria. Polymer chains are finally constrained to a particular configuration where one chain is adsorbed on two silica surfaces that are 200 Å apart. This yields interesting insights into the evolution of the monomers lability and of the surface/polymer strength interaction when the two silica surfaces are moved apart.

L'utilisation récente des fibres optiques (FOs) à base de silice dans des environnements extrêmes, a incité les chercheurs à accélérer leurs études de vulnérabilité. De tels défis sont fortement liés à la bonne compréhension des effets à la fois macroscopiques et microscopiques des différents types de radiations sur la réponse des FOs. Cette thèse de doctorat présente une étude complémentaire aux études précédemment menées sur les différents défauts ponctuels dans les FOs à base de silice par Cathodoluminescence (CL). Cette technique offre la possibilité de détecter les centres luminescents mais aussi de suivre leurs distributions spatiales, leurs cinétiques de création et de guérison en fonction de l'irradiation électronique. Dans ce manuscrit, nous introduisons tout d'abord un résumé des connaissances actuelles sur les défauts liés à la silice pure et différemment dopée.Les détails de notre procédure expérimentale sont discutés dans le 2ème chapitre où nous montrons que les doses déposées lors des mesures CL sont très importantes. Dans le 3ème chapitre nous présentons une étude systématique de la réponse en CL des différentes classes de FOs, dans lesquelles différentes bandes d'émission sont discutées. Le 4ème chapitre traite l'impact d'une variation des conditions d'irradiation électronique sur les centres GLPC, l'un des défauts liés au Ge les plus importants. Enfin, dans le 5ème chapitre, nous avons montré la possibilité de produire des nanoparticules à base de silice par ablation laser, et la capacité de la technique CL de caractériser ce type de matériaux, ce qui ouvre la porte à d'autres utilisations de cette technique pour la caractérisation de nanoparticules. / The recent use of silica-based optical fibers (OFs) in harsh environments pushed the researchers to accelerate their vulnerability and hardening studies. Such challenges are strongly linked to the good understanding of the macroscopic as well as the microscopic effects of different types of radiations on the silica-based OF's response. This PhD thesis presents a complementary study to previous researches on the properties of different point defects in silica-based OFs by Cathodoluminescence (CL). Such technique offers the ability to both detect the luminescent centers and to follow their spatial distribution, their growth and decay kinetic as a function of the electron beam characteristics. ln the present manuscript we first summarize the current knowledge regarding point defects in pure silica or silica glass doped with Ge, P, Ce, N or Al. Details of the experimental procedure are discussed in the 2nd chapter in which we highlight that the equivalent dose deposited during the various configuration of CL measurements are very large. ln the 3rd chapter, we perform an overview study of the CL responses of different classes of OFs, in which many emission bands related to the different dopants were discussed. The 4th chapter focuses on the study of the effects of varying beam conditions on the signature of Germanium Lone Pair Center (GLPC), one of the most important Ge-related point defects. Finally, in chapter V, we demonstrate the possibility to produce silica-based nanoparticles by laser ablation process, and the ability of the CL technique to characterize such materials, which opens the door to other employments of this technique for future studies on nanoparticles.

Les matériaux chiraux peuvent avoir une forte influence sur la propagation de la lumière et ont attiré l'attention de la communauté des nanosciences. Les nanoparticules d'or, matériaux plasmoniques stables ayant une activité dans le visible (400 à 800 nm), sont des objets attrayants en tant que blocs de construction pour la formation de matériaux optiques. Précédemment, nous avons conçu et obtenu des Goldhelices en greffant des nanoparticules d’or sur des nano structures hélicoïdales de silice. Le travail présenté dans cette thèse vise à développer et à organiser les Goldhelices de manière à améliorer, modifier, réduire, voire même éliminer les propriétés chiroptiques. Les détails des nanostructures ainsi que la cinétique de formation de l'auto-assemblage organique utilisé comme support pour la formation de Goldhelices sont étudiés. Des Goldhelices sont ensuit organisées hiérarchiquement à l’aide de trois techniques : la microfluidique, le « dip coating » et le « Grazing Incidence Spraying ». Enfin, l’effet de ces organisations sur les propriétés optiques sont caractérisées par spectroscopies chirales et ellipsométrie. Nous démontrons qu'un tel système peut être utilisé pour la création de polariseur linéaire ou circulaire où une telle polarisation est uniquement dépendant par l'organisation des Goldhelices. / Chiral materials can have strong influence on the propagation of light and have attracted attention in the nano-science community. Gold nanoparticles (GNPs), stable plasmonic materials in the visible range (400-800 nm), are attractive objects as building blocks for optical materials. We have designed and obtained Goldhelices by grafting GNPs on silica nano-helical structures. The work presented in this thesis aims at developing tunable Goldhelices and organizing them in order to enhance, modify, reduce or even eliminate the chiroptical properties. The details of the nanostructures as well as the kinetics of formation of organic self-assembly which is used as templates for the formation of Goldhelices are fully studied. The hierarchical organization of the Goldhelices is investigated by the use of three techniques, the microfluidics, the dip-coating and the grazing incident spraying. Finally, the effect of the organization on their optical properties are characterized by chiral spectroscopies and Mueller matrix polarization ellipsometry. We demonstrate that such a system can be used for the creation of linear or circular polarizer where such polarization is solely tunable by the organization of the Goldhelices.

L’élaboration des céramiques nanocomposites s’impose dans l’actualité comme une des voies la plus prometteuse pour l’obtention des matériaux céramiques ayant des propriétés remarquables. Toutefois, il s’agit d’une voie compliquée puisque la nanostructure et la densification des matériaux sont en général contradictoires. En effet, les relativement hautes températures et longues périodes de temps requises pour bien densifier les matériaux céramiques nanocomposites produisent le phénomène de grossissement des grains : dans ces conditions les phases présentes dans le composite cessent d’être nanostructurées. Dans ce contexte, l’utilisation de nouvelles techniques de frittage, telles que le « Spark Plasma Sintering » (SPS), peuvent aider à la consolidation de ce type de matériaux tout en conservant une microstructure fine. Ce travail de recherche a été consacré à l’élaboration des micro-nanocomposites alumine/5vol% SiC en utilisant trois techniques de frittage : conventionnelle ou naturelle (FN), le pressage à chaud (« Hot Pressing » ou HP) et principalement le frittage par « Spark Plasma Sintering ». Dans un premier temps, l’étape de dispersion des poudres d’alumine et de SiC a été optimisée afin de préparer des barbotines stables et homogènes et des poudres composites. Puis, les meilleures performances de la technique SPS par rapport aux autres techniques de frittage ont été mises en évidence. Ainsi, l’utilisation du frittage SPS permet une meilleure maîtrise de la microstructure : densité élevée, microstructure fine et la localisation des particules nanométriques principalement en position intergranulaire. / The development of ceramic nanocomposites is needed in the news as one of the most promising ways to obtain ceramic materials with remarkable properties. However, this is a complicated way since the nanostructure materials and densification are usually contradictory. Indeed, the relatively high temperatures and long periods of time required to fully densify the ceramic nanocomposite materials produce the phenomenon of grain growth: in these conditions the phases present in the composite cease to be nanostructured. In this context, the use of new sintering techniques, such as "Spark Plasma Sintering" (SPS), may help to consolidate this type of material while maintaining a fine microstructure. This research has been devoted to developing micro-SiC nanocomposites alumine/5vol% using three sintering techniques: conventional or natural (FN), hot pressing ("Hot Dry" or HP) and mainly the sintering by "Spark Plasma Sintering." As a first step, the step of dispersing powders of alumina and SiC was optimized to prepare stable and homogeneous slurry and composite powders. Then, the best performances of the technique compared to other SPS sintering techniques have been demonstrated. Thus, the use of SPS sintering allows better control of the microstructure: high density, fine microstructure and localization of nanoparticles mainly intergranular position.

Les aérogels de silice se classent parmi les matériaux dits superisolants grâce à leurs propriétés thermiques exceptionnelles. Leur très faible conductivité thermique (< 15 mW.m-1.K-1) représente un pouvoir d’isolation convoité par de nombreux secteurs d’activité comme l’isolation thermique du bâtiment, l’aérospatial, le transport, l’emballage, etc.Ces matériaux amorphes nanostructurés atteignent des taux de porosité supérieurs à 90% et sont architecturés sur plusieurs ordres de grandeur. Leur structure se compose d’un réseau poreux tridimensionnel de silice à l’échelle nanométrique. Celui-ci forme un agrégat de plusieurs centaines de nanomètres qui est lui-même la brique élémentaire d’un second réseau poreux à l’échelle mésoscopique. L'architecture 3D nanométrique imbriquée pores / particules, dont la taille est proche du libre parcours moyen des phonons, est à l’origine des propriétés thermiques exceptionnelles des aérogels de silice, cependant, elle est aussi la source de leurs faibles propriétés mécaniques.Cette thèse se focalise sur l’étude à l’échelle nanométrique du comportement mécanique des aérogels de silice par dynamique moléculaire. La première partie porte sur le potentiel interatomique utilisé comme paramètre d’entrée des simulations et plus particulièrement sur sa capacité à reproduire les surfaces de silice amorphe. Ce potentiel, développé pour modéliser les propriétés structurales et énergétiques de la silice amorphe dense, démontre une bonne transférabilité quant aux propriétés de surface. Il permet de simuler avec fiabilité des matériaux de grandes surfaces spécifiques avec des temps de calcul acceptables. La seconde partie s'intéresse successivement à la génération de la nanostructure des aérogels, à la caractérisation des textures formées et à l'étude du comportement mécanique. Les résultats montrent l’influence de la vitesse de déformation et des effets de taille sur l’étude du comportement mécanique en traction et en compression. Les propriétés élastiques sont correctement caractérisées et les mécanismes de déformation identifiés. Enfin des agrégats sphériques de l’ordre de la centaine de nanomètres sont générés afin d’étudier leur comportement mécanique sous compression. Les lois de comportement de ces agrégats, comparables en taille à ceux observés expérimentalement, pourront ensuite servir de paramètres d’entrée et nourrir les simulations aux échelles supérieures / Thanks to their exceptional thermal properties, silica aerogels are considered as superinsulating materials. Their very weak thermal conductivity (< 15 mW.m-1.K-1) stands for an important insulating power which has many industrial applications such as building insulation, aerospacial, transport, packaging, etc.Those amorphous architectured materials can reach more than 90% of porosity and present a porous architecture at different length scales. Their structure is composed by a three dimensional porous and tortuous network at nanometric scale. This network forms an aggregate of a hundred nanometers length which is also the particle of a second porous network at mesoscopic scale. The 3D nanometric architecture of pores / particles, is at the origin of the exceptional thermal properties but is also responsible of the weak mechanical properties.This thesis focuses on the study at nanoscale of the mechanical behavior of silica aerogels using Molecular Dynamics simulations. The first part of the thesis concerns the interatomic potential used as parameter of the simulations and his capacity of reproducing amorphous silica surface properties. This potential has been developped for dense amorphous silica. It also shows a good transferability to model amorphous silica surface properties. It can be used to simulate large volumes of high specific area materials with optimized computational time. The purpose of the second part of this thesis is to generate the porous nanostructure of silica aerogels, to characterize its structure and to study its mechanical properties. The results show the influences of the strain rate and of the simulation box size on the mechanical behavior during tensile and compression tests. Elastic properties are correctly computed and the deformation mechanisms are identified. Finally, hundred nanometers aggregates are generated and their behavior under compression is studied. The behavior laws of these aggregates, comparable in length with the experimental ones, provide precious information for a multiscale model

Les zéolithes sont des aluminosilicates cristallins possédant une microporosité organisée et régulière de taille moléculaire. Les zéolithes ZSM-5 sont largement employées dans l’industrie comme catalyseurs acides mais leur application commerciale requiert des objets de taille millimétrique pour leur résistance mécanique, pour diminuer la perte de charge dans les réacteurs et pour diluer l’acidité de la zéolithe, principalement par ajout de liant, peptisant... La mise en forme est l’étape clé dans le processus d’industrialisation d’un catalyseur car les additifs peuvent modifier les propriétés intrinsèques de la zéolithe après mise en forme. Les objectifs de la thèse sont donc d’identifier et de rationaliser les conséquences physico-chimiques de la mise en forme sur les propriétés des zéolithes en étudiant l’accessibilité, la concentration et la force de leurs sites acides, ainsi que de décrire la nature de l’interface zéolithe/liant. Pour cela, une approche multi-techniques a été mise en œuvre. Elle combine des mises en forme modèles, tout en faisant varier la nature du liant et de la zéolithe ZSM-5, des caractérisations texturales, spectroscopiques (infra-rouge, RMN) et de microscopies, de l’acidité (adsorption-désorption de molécules sondes suivies par analyses thermiques et spectroscopiques), et tests catalytiques modèles. La caractérisation des propriétés des zéolithes utilisées dans cette étude (de différentes tailles de cristaux et de différents rapports Si/Al) a été menée préalablement à celles des matériaux mis en forme. Les grands cristaux de zéolithes se sont révélés plus acides mais moins actifs en catalyse. Une partie des Al des petits cristaux forment des aluminols dont l’acidité est plus faible que celle des sites pontés. De plus, l’ensemble des sites pontés ne contribue pas à la réaction catalytique, seule une partie du cristal est efficace. Durant ce travail, deux types de liants ont été utilisés : l’alumine et la silice qui sont largement employées dans l’industrie. Le but a été de mettre en évidence, dans un premier temps, les effets de la mise en forme sur une zéolithe et un liant donné puis d’estimer l’impact de la nature de la zéolithe (taille de cristal et rapport Si/Al). Pour le liant de type alumine, un bouchage partiel de la microporosité est suspecté indépendamment de la taille des cristaux et du rapport Si/Al de la zéolithe. Un phénomène d’alumination de la structure de la zéolithe par création de sites pontés a été mis en évidence. Pour le liant de type silice, le paramètre critique à prendre en considération lors de la mise en forme est sa teneur en cations sodium. Le phénomène d’échange ionique a été mis en évidence, les propriétés acides et catalytiques des catalyseurs s’effondrent mais de manière réversible. Cet effet augmente quand la taille des cristaux de zéolithes diminue et quand le rapport Si/Al augmente / Zeolites are crystalline and microporous aluminosilicates with an ordered and regular structure of molecular dimension. ZSM-5 zeolites are widely used in the industry as acid catalysts but their commercial application requires millimeter-sized bodies for mechanical strength and dilution of the zeolite acidity mainly, by addition of binder, peptizer... Shaping of zeolite is the key step of the process for the industrialization of a catalyst because the additives may modify the intrinsic properties of zeolites after shaping. The aims of this PhD thesis are to identify and rationalize the physico-chemical impacts of shaping on the zeolite properties by studying the accessibility, the concentration and the strength of acid sites, as well as to describe the zeolite/binder interface. To do this, a multi-technical approach was set up. It combines model shaped materials, by varying the type of binder and ZSM-5 zeolite, textural, spectroscopic (IR, NMR) and acid characterizations, microscopy and catalytic testing. The characterization of zeolites used in this study (various crystal sizes and Si/Al ratios) was carried out prior of those of shaped materials. Large crystals have been shown more acid but less active in catalysis. Some of Al of the small crystals form aluminols whose acidity is weaker than that of bridging sites. Moreover, all the bridging sites do not contribute to the catalytic reaction, only a part of the crystal is efficient. During this work, two types of binders were used: alumina and silica which are widely used in the industry. The strategy was to highlight, in a first step, the shaping impacts on a ZSM-5 and a given binder and then, to estimate the impact of the zeolite nature (crystal size and Si/Al ratio). For the alumina-type binder, a partial pore blocking is suspected, independently of the crystal size and the Si/Al ratios. A phenomenon of alumination of the zeolite structure was found. For the silica-type binder, the critical parameter is the content of sodium cations inside the binder before the shaping. An ion exchange phenomenon was highlighted and the acid and catalytic properties of the materials collapse but in a reversible way. This impact increases when the crystal size decreases and when the Si/Al ratio increases

Cette thèse vise à connaître et expliquer l'impact de la contamination moléculaire sur l'endommagement laser des optiques en silice d'un laser de puissance tel que le Laser Méga Joule (LMJ). L'une des causes de l'endommagement prématuré de ces optiques est l'adsorption de polluants moléculaires ou particulaires à leur surface. Dans le contexte particulier du LMJ, nos conditions d'études laser sont des fluences supérieures à 10 J/cm², une longueur d'onde de 351 nm et une durée d'impulsion de 3 ns pour une irradiation en monocoup. Des prélèvements moléculaires, l'analyse du dégazage des matériaux, et l'identification de la contamination condensée sur les surfaces des optiques présentes dans des environnements jugés critiques, ont permis de déterminer certains polluants critiques. Des expériences de contamination contrôlée impliquant ces polluants ont alors été menées afin de comprendre et modéliser leur effet sur l'endommagement laser des optiques. Ceci nous a conduits à proposer plusieurs mécanismes supposés.

Le but de l'étude est d'étendre le concept de synthèse de matériaux hybrides de type organosilicates mésoporeux périodiques (PMOS) à l'incorporation de complexes de platine(II) susceptibles de catalyser des réactions d'hydrogénation. Ces nouveaux matériaux sont caractérisés aussi bien du point de vue structural qu'au niveau du complexe moléculaire immobilisé. Leurs propriétés sont comparées à celles d'une silice mésoporeuse (SBA-15) fonctionnalisée de manière classique par greffage post-synthétique. Il en résulte que le complexe de platine, dont l'intégrité du site de coordination est maintenue dans tous les cas, se trouve incorporé à l'intérieur des parois pour nos nouveaux matériaux tandis qu'il se trouve en surface pour le matériau de référence. Les deux types de solides sont actifs dans l'hydrogénation du styrène en éthylbenzène à 40 bar et 80°C si un équivalent de co-catalyseur SnCl2 par platine est ajouté au système. La possibilité de présynthétiser le système Pt-Sn à même les solides hybrides a été envisagée, et bien que les activités catalytiques des matériaux en résultant soient comparables aux systèmes générés in situ, nous avons trouvé que SnCl2 ne réagit pas exclusivement avec le complexe de platine tel qu'attendu mais interagit aussi fortement avec les surfaces.