Les polymères de coordination fer-triazole constitue une famille des composés à transition de spin particulièrement étudiée au cours des deux dernières décennies en raison de la présence du caractère hystérétique et abrupt de leur transition de spin. Leur mise en forme et la conservation de leurs propriétés reste cependant une problématique d’actualité. L’objectif de cette thèse est de répondre à cette problématique en synthétisant un métallogel renforcé par des nanoparticules de silice, aboutissant à un nanocomposite hybride à transition de spin. Cet objectif fut rempli grâce à un balayage des paramètres physico-chimiques du système et un contrôle rigoureux des conditions expérimentales. Le gel obtenu a été caractérisé par de multiples techniques, ce qui a permis de proposer des mécanismes d’action des différentes composantes du système sur ses propriétés de transition de spin. Afin d’améliorer ses propriétés mécaniques, une matrice de silice hybride a été synthétiser in situ dans l’échantillon par voie sol-gel en phase vapeur. Le matériau obtenu est fonctionnel et manipulable, et a été ensuite caractérisé en détail afin de conclure sur l’influence de ce traitement sur les propriétés de transition de spin du composite. Enfin, une approche « bottom-up » du système polymère fer-triazole - triazole a été étudiée, avec comme objectifs la synthèse d’un précurseur alcoxysilane fonctionnalisé par un triazole et « l’habillage » de nanoparticules de silice par le polymère afin d’étudier leur auto-assemblage. / Iron-triazole coordination polymers have been extensively studied during the last two decades as a class of spin crossover compounds because of their hysteretic and abrupt spin crossover properties. Their use has been limited due to the difficulty to integrate them into a functional material which is still a challenge today. The main goal of this PhD. project is to address this issue by designing a metallogel reinforced by the adjunction of silica nanoparticles, allowing us to prepare a hybrid spin crossover nanocomposite. We achieved this aim by screening the physicochemical parameters of the system and carefully tuning of the experimental conditions. The resulting gel has been extensively characterized by different technics, allowing us to make assumptions for the role of each component of the system on its spin crossover properties. We improved its mechanical properties by in situ chemical vapour deposition of silica, forming a hybrid matrix by sol gel process. The resulting material is functional and easy to handle, and has been further characterized to conclude on the influence of this process on the composite spin crossover properties. Finally, a “bottom-up” approach of the iron-triazole polymer – silica system has been studied, with the aim of a triazole functionalized alcoxysilane precursor and the preparation of polymer wrapped silica nanoparticles in order to study their auto-assembling properties.

L'élaboration d'un revêtement submicronique est réalisée par électrodéposition de nanoparticules de silice (EPD = ElectrophoreticDeposition). Cette approche permet de contrôler l'épaisseur des dépôts, qui est un paramètre à ajuster pour élaborer un revêtement sélectif absorbeur de type capteur photothermique. La nature du revêtement recherché est un co-dépôt de silice et de carbone. Pour la compréhension et le contrôle des mécanismes de dépôt par EPD, le dépôt de silice seule est étudié. Deux systèmes ont été investigués : de la silice déposée sur du wafer de silicium ou sur du platine, notés respectivement SiO2/Si et SiO2/Pt. Une suspension colloïdale commerciale, le Ludox® HS-40, est utilisée pour permettre la dilution de sols stables de nanoparticules de silice monodisperses (12 nm de diamètre), chargées négativement. Un EPD anodique est réalisé en milieu aqueux grâce à ce sol.Le potentiel, la concentration initiale en nanoparticules et la durée de dépôt ont été explorés. Lorsque le potentiel appliqué est trop élevé, le phénomène d'électrolyse de l'eau est observé. Plus particulièrement, le système à base de platine se trouve limité par ce phénomène à partir d'un potentiel de +2V. La forte conductivité de ce substrat favorise le phénomène de dégagement gazeux. Ce bullage subséquent, dégrade la cohésion du revêtement. Néanmoins, l'application d'un potentiel inférieur au potentiel d'électrolyse de l'eau permet de bonnes conditions de dépôt. Des phénomènes similaires ont également été observés avec le système SiO2/Si. Les propriétés semi-conductrices du wafer de silicium permettent cependant d'appliquer des potentiels plus élevés (jusqu'à +40 V), en limitant le phénomène d'électrolyse. L'optimisation des conditions de dépôt sur ces deux systèmes ont permis d'obtenir des conditions expérimentales de dépôt compatibles avec l'objectif fixé, à savoir : un potentiel de +1 V pour le système SiO2/Pt et de +3 ou +30 V pour le système SiO2/Si, une concentration comprise entre 1 et 10 %mass, et une durée de dépôt de 1h.Dans les conditions optimales définies précédemment, les propriétés physico-chimiques de la suspension initiale ont été modifiées par l'ajout d'un co-solvant (EtOH), d'un sel (Na2SO4) ou d'un polymère (PAA out PVA) afin d'étudier l'influence du milieu dispersant, de la conductivité de la suspension ou du potentiel zêta des nanoparticules sur l'épaisseur des dépôts. Ces ajouts ont permis d'augmenter l'épaisseur des revêtements, notamment pour le système SiO2(EtOH)/Pt et les systèmes à base de PAA. L'ajout d'un composé carboné (PVA, PAA) dans la suspension a également été étudié afin d'obtenir après calcination (500°C) un revêtement présentant des caractéristiques intéressantes pour l'application envisagée. Les revêtements de type SiO2(PAA)/Pt présentent une certaine sélectivité optique. Toutefois les valeurs du ratio alpha/epsilon restent inférieures à 7, ce qui est plus faible que les valeurs obtenues pour le même type de système, avec des procédés sol-gel classiques. / The development of a submicron coating was carried out by electrophoretic deposition (EPD)of silica nanoparticles. This approach allows controlling the thickness of the deposits which is a parameter to adjust to develop a selective absorber coating dedicated to a photothermal sensor. The composition of the desired coating is a co-deposition of silica and carbon. For the understanding and the control of EPD deposition mechanisms, silica deposit is first studied. Two systems were investigated: silica deposited on a silicon wafer or platinum substrate, respectively noted SiO2/Si and SiO2/Pt. A commercial colloidal suspension, Ludox® HS-40, is used to realize stable diluted sols of monodispersed silica nanoparticles (12 nm diameter), negatively charged. Anodic EPD is performed in aqueous medium from this sol.The applied potential, the initial concentration of nanoparticles and the deposition time are investigated. When the applied potential is too high, the water electrolysis phenomenon occurs. More particularly, the platinum-based system is limited by this phenomenon, from a potential of +2 V. The high conductivity of this substrate promotes gassing phenomenon. This subsequent bubbling degrades the cohesion of the coating. However, an applied potential lower than the electrolysis potential gives some good deposition conditions. Similar phenomena were also observed with SiO2/Si system. However, the semiconductor properties of the silicon wafer enable to apply higher potential (up to +40 V) by reducing the phenomenon of electrolysis. Optimizations of the deposition conditions on these two systems have yielded experimental deposition conditions consistent with the objective, namely: a potential of +1 V to SiO2/Pt system and of +3 and +30 V for SiO2/Si system, a concentration between 1 and 10 %mass, and a deposition time of 1 hour.Under optimum conditions defined above, the physicochemical properties of the initial suspension are modified by adding a co-solvent (EtOH), a salt (Na2SO4) or a polymer (PAA or PVA) in order to study the influence of the dispersing medium, the conductivity of the suspension or the zeta potential of the nanoparticles on the thickness of the deposits. These additions have increased the thicknesses of coatings, especially for SiO2(EtOH)/Pt system and systems based on PAA. The addition of some carbon compounds (PVA or PAA) in the suspension was also studied to obtain after calcinations (500 °C) a coating with interesting characteristics for the intended application. Coating obtained with SiO2(PAA)/Pt system exhibit a significant optical selectivity. However, the value of the alpha/epsilon ratio remains below 7, which is lower than the values obtained for the same type of system with conventional sol-gel processes.

Les propriétés des quantum dots (QDs) en font des sondes adaptées à la reconnaissance moléculaire. Leur pic d’émission en fluorescence est très étroit et ajustable, tandis que la section efficace de leur spectre d’absorption est très large. En outre, ils sont très brillants et résistent mieux au photoblanchiment que les colorants organiques conventionnels.Notre objectif a été de concevoir un nouveau type de sondes fluorescentes pour une détection rapide à l’échelle de la molécule unique. L’utilisation d’agrégats contenant plusieurs milliers de QDs, plutôt que celle de QDs individuels, permet d’accroître le signal de fluorescence et de simplifier les modalités de détection. La morphologie et la chimie de surface des premiers agrégats préparés n’ont pas pu être contrôlées en les recouvrant avec des molécules de surfactants courts ou une couche de polymère en solution aqueuse. La stratégie centrale de ce manuscrit a permis d’assembler les QDs en nanobilles (NBs) monodisperses de quelques centaines de nanomètres de diamètre, encapsulées dans une couche de silice Stöber. Leur stabilité colloïdale et leur photostabilité ont ainsi été conservées. Un nouveau type d’hybride polymère-silane a été greffé sur la silice. Il présente des chaînes zwittérioniques, garantissant la solubilité en milieu aqueux et une adsorption non spécifique minimale, ainsi que des fonctions réactives pour la bioconjugaison. La réactivité de NBs fonctionnalisées par de la streptavidine avec des billes commerciales biotinylées a été démontrée. Nos résultats préliminaires ont également montré que les NBs peuvent être intégrées dans un dispositif microfluidique pour être comptées individuellement. / Using nanotechnology for molecular diagnostics holds many advantages e.g. an improvement in the simplicity and the sensitivity of analysis. Semi-conductor nanocrystals or quantum dots (QDs) demonstrate several unique properties that make them suitable probes for biomolecular recognition. These QDs present narrow size-tunable emission spectra and a broad excitation spectrum; in addition, they offer higher photostability and brightness than conventional organic dyes. Our aim was to design a new diagnostic probe based on fluorescent nanobeads containing QDs, envi-sioned as a tool for fast and single-molecule detection. An even brighter fluorescence and easily detectable analytical signals could indeed be achieved by aggregating several thousand of QDs together, as compared to single QDs. Coating QD clusters with small surfactants or a polymer layer didn’t provide morphological control or a suitable surface chemistry for bioconjugation. The strategy that we developed consists in self-assembling QDs into monodisperse nanobeads of a few hundreds of nanometers in diameter, on top of which a silica shell was grown by a Stöber-inspired process. This allowed us to protect their colloidal and photo-stability. A new type of multidentate polymer-silane hybrid was subsequently grafted onto the silica shell, presenting a zwitterionic chain for water solubility and antifouling, as well as reactive functions for conjugation with biomolecules. We succeeded in reacting streptavidin-conjugated nanobeads with commercial biotinylated beads. Preliminary results have also shown that we can integrate the nanobeads into a microfluidic system for an efficient single-particle counting.

L'objectif de ces travaux est l'élaboration de nouveaux matériaux pour la dépollution des sols. Le principe repose sur l'encapsulation de microorganismes ayant des capacités de bioremédiation dans une matrice hybride et macroporeuse. La matrice employée doit à la fois être compatible avec les microorganismes encapsulés et adaptée à l'application visée en termes de structure et de stabilité dans les sols. Le choix des composants employés, mais également les méthodes de mise en forme utilisées ont une influence significative sur ces deux aspects. Les microorganismes choisis (les bactéries Pseudomonas aeruginosa et Shewanella oneidensis) ont été immobilisés dans une matrice hybride, composée de biopolymère (pectine ou alginate) et de silice. La méthode du freeze-casting a été employée simultanément comme méthode d'encapsulation et comme procédé de mise en forme pour l'obtention d'une structure à porosité orientée. La chimie du sol-gel a été utilisée pour recouvrir cette structure par une couche de silice, tout en assurant la survie des organismes encapsulés grâce à des conditions de synthèse douces. Ce travail de thèse a dans un premier temps permis l'identification de paramètres clés à la fois pour la survie des microorganismes et la structure de la matrice. L'influence de la vitesse de congélation et la composition de la matrice (type de biopolymère, présence d'additifs ¿) ont notamment été étudiés afin d'optimiser le taux de survie des bactéries lors de l'encapsulation. Le comportement de ces matériaux a par la suite été évalué dans un sol de référence, tant du point de vue du vieillissement de la matrice que de l'efficacité en termes de dépollution du sol. / The goal of this work is the elaboration of new materials for soil depollution. The principle consists in the encapsulation of microorganisms with bioremediation capabilities in a hybrid porous matrix. Such matrix must be both compatible with the survival of the encapsulated organisms and suitable for the targeted application in terms of structure and in-soil stability. The choice of the components, as well as the processing techniques have a significant influence on these two aspects. The chosen microorganisms (the bacteria Pseudomonas aeruginosa and Shewanella oneidensis) were immobilized within a hybrid matrix, composed of biopolymer (pectin or alginate) as the organic moiety and silica as the inorganic moiety. The freeze-casting technique was used both as a way to encapsulate the microorganisms and to shape the biopolymer into a structure with an oriented porosity. Sol-gel chemistry was used to coat this structure with a silice layer, while ensuring survival of the encapsulated organisms thanks to mild synthetic conditions. This work allowed for the identification of key parameters both regarding the survival of microorganisms toward encapsulation and the final structure of the matrix. The influence of the freezing rate and of the composition of the matrix (type of biopolymer, presence of additives …) have in particular been investigated as a way to optimize bacterial survival rates upon encapsulation. The behavior of the materials was then assessed in a reference soil, from the point of view of the ageing of the matrix, but also regarding the efficiency of the device for soil depollution.

Ce travail de thèse porte sur le développement technologique d’outils miniaturisés micro- (10 µm) et milli- (1 mm) fluidique, pour l’étude in situ de procédés de filtration frontale, en collaboration avec l’entreprise Solvay. Les outils développés permettent le suivi visuel de la formation de gâteaux de filtration en opérant des essais à pression ou à débit constant sur diverses suspensions colloïdales, jusqu’à des pressions trans-membranaires de l’ordre de 7 bars.L’étude millifluidique de la filtration de dispersions industrielles de silice colloïdale (Solvay, Silica), a permis de mettre en évidence la croissance de gâteaux compressibles et de corréler ces données aux signaux de pression, obtenus à débit imposé. Ces mêmes données sont confrontées aux lois classiques de la filtration (« cake filtration theory »), mettant en évidence que les modélisations classiques ne peuvent pas reproduire les comportements observés.La seconde partie de la thèse porte sur le développement d’un outil microfluidique, intégrant des membranes hydrogel nano-poreuses, pouvant résister à de fortes pressions (quelques bars). Ces membranes sont fabriquées in-situ par photo-polymérisation de formulations aqueuses contenant des PEG-diacrylates et des agents porogènes. Notre travail a permis une caractérisation précise de leur perméabilité en fonction de divers paramètres (formulation, temps d’exposition, géométrie). Ces mêmes membranes ont été utilisées pour suivre la filtration frontale de nanoparticules aux échelles microfluidiques, et ainsi estimer quantitativement la perméabilité des gâteaux formés. / This work deals with the technological development of miniaturized micro- (10 µm) and milli- (1 mm) fluidic tools for in-situ investigations of frontal filtration processes, in collaboration with Solvay. The tools that we developed, make it possible to monitor visually the formation of the filter cake, operating at constant-pressure or constant-flow rate filtration, on various colloidal suspensions, and up to trans-membrane pressures of 7 bars.We performed a millifluidic study of the filtration of industrial silica colloidal dispersions (Solvay, Silica), and we evidenced the growth of compressible cakes. We correlated these data to the pressure signals obtained at imposed flow rates. The comparison with theoretical predictions given by the classical laws of cake filtration theory, shows that such conventional models cannot reproduce the observed behaviors.The second part of this thesis reports the development of high pressure-resistive (several bars) microfluidic tools integrating nano-porous hydrogel-based membranes. These membranes are fabricated in situ by photo-polymerization of aqueous formulations containing PEG-diacrylates and porogen agents. We reported precise characterizations of their permeability in function of several parameters (formulation, exposure time, geometry). The same membranes were used to monitor frontal filtration of nanoparticles at the microfluidic scale, and thus to quantitatively estimate the permeability of the formed cakes.

Pour pallier le problème d’efficacité de la plupart des médicaments disponibles sur le marché aujourd’hui, lié à des manques de spécificité et de solubilité, notamment dans le cadre du traitement du cancer, la nanomédecine, via les nanoparticules présente une alternative de grande importance. Dans ce domaine, les nanoparticules de silice ont récemment attiré une énorme attention de la part des scientifiques. Cependant, des problèmes d’élimination liés à la solidité du matériau entravent aujourd’hui sa traduction clinique. Afin d’élucider cette problématique, nous présentons, dans cette thèse, l’utilisation de nanoparticules de silice hybrides dont l’une est mésoporeuse et l’autre sous forme de nanocapsule dépourvue de porosité. Les particules qui sont sphériques ont été préparées en incorporant un groupement imine dans leur charpente afin de les rendre sensibles au pH bas, sachant que les tissus cancéreux présentent une certaine acidité par comparaison aux tissus sains. Les matériaux préparés se montrent particulièrement sensibles aux milieux acides similaires aux conditions dans les milieux cancéreux. Dans le même temps, ces particules exposent une bonne stabilité en milieu à pH neutre similaire aux conditions physiologiques. Des études in vitro réalisées avec la particule mésoporeuse sur une lignée de cellule cancéreuse issue du sein humain démontrent une bonne et rapide internalisation. De plus, lorsque le matériau est chargé avec un médicament hydrophobe très puissant utilisé dans le traitement du cancer du sein, le système en résultant indique une efficacité de grande ampleur en tuant une forte majorité des cellules cancéreuses, contrairement au système basé sur la particule non cassable et au médicament isolé. Parallèlement, les nanocapsules chargées avec un autre agent anticancéreux se montrent particulièrement cytotoxiques vis-à-vis de cellules cancéreuses très communes et qui l’internalisent de manière très rapide. / To overcome the limitations of most of the drugs avaible nowadays on the market due to their lack of solubility and specifity in cancer treatment for instance, nanomedicine plays an emerging role as an alternative. In that field, nanoparticles are endowed with several advantages, leading them to be highly considered for drug delivery systems preparation. In this respect, silica nanoparticles have recently a great deal of attention from the scientists. Nevertheless, some issues related to the in vivo elimination of silica materials represent the main obstacle impeding their clinical translation. To elucidate this problematic, we report, in this thesis, the use of breakable hybrid organosilica nanoparticles where one is mesoporous and the other one consists in a nanocapsule without porosity. Such materials have been prepared by incorporating an imine-based linker in the particles framework in order to make them pH-responsive. The advantage of the pH sensitivity relies on the fact that cancerous media present certain acidity as compared to those healthy. The particles exhibit a high pH sensitivity where, at low pH, they fully break down, while a good stability is observed in physiological conditions. Furthermore, in vitro studies performed with a drug delivery system based on the mesoporous particle and a highly hydrophobic drug show a remarkable efficiency towards a cancer cell line from human breast, which moreover, rapidly internalises the material. The nanocapsule loaded with a hydrophilic drug also demonstrates a fast internalisation towards a commonly used cancer line which does not resist to the system and thus dies by a very high rate.

Pour préciser l’architecture du système turbiditique du Congo (marge Ouest-Africaine, Atlantique Sud-Est), et les variations climatiques et paléocéanographiques de la zone au cours du dernier million d’années, on a étudié les variations de la productivité des diatomées sur deux carottes de référence, KZAI-02 et RZCS-26, prélevées respectivement à 248 et 800 Kms de l’embouchure du fleuve. Cette étude est intégrée au projet REPREZAÏ, REtrogradation/PRogradation dans l’Eventail du ZAÏre, Les périodes de forte productivité diatomique sont observées vers le milieu du stade MIS6, le MIS 5d, et durant le MIS 3, liées à l’apport de nutriments, notamment la silice dissoute, par le fleuve. Les faibles taux d’accumulation en diatomées sont enregistrés au début et à la fin du MIS 6, le MIS 5e, le début du MIS 4 et l’Holocène, quand la charge terrigène dans les eaux de surface empêche la mise en place d’une forte productivité. Au large il faut un apport conséquent de silice dissoute via les décharges du fleuve, et une faible consommation de ce nutriment en amont, pour avoir une forte productivité. L’intensification des conditions d’upwelling océanique favorise la productivité diatomique. L’abondance des diatomées d’estuaires saumâtres coïncide avec l’augmentation de l’influence des décharges fluviatiles vers ~230 ka BP, période de mise en place de l’édifice axial du système turbiditique du Congo. Deux études exploratoires ont été menées en complément: L’étude de la variabilité morphométrique de l’espèce Fragilariopsis doliolus qui montre une variation importante de la surface valvaire au cours du Quaternaire ; l’étude des isotopes de la silice qui s’est avérée complexe, à cause du mélange important de silice biogénique et lithogénique dans nos échantillons. / To precise the evolution of the Congo deep sea fan (western African margin, eastern tropical South Atlantic), and the paleoclimatic and paleoceanographic conditions of the zone during the last million years, variations of diatom productivity have been studied on two reference cores, KZAI-02 and RZCS-26, located respectively at 240 and 800 Kms of the Congo river mouth. This study is part of the REPREZAI project, REtrogradation/PRogradation in the ZAÏre deep-sea fan. High diatom accumulation rates were registered during the mid-part of MIS 6, the cold substage MIS 5d and the MIS 3-2, sustained essentially via nutrients, including dissolved silica, injected by the Congo River into the ocean. Low diatom accumulation rates were recorded during the early and late MIS 6, the MIS 5e, the early MIS 4 and the Holocene, when the terrigenous load in surface waters prevent a strong productivity. Further offshore, a substantial dissolved silica input by the discharges of the Congo river, but also a low consumption of this nutrient upstream, are required to have a strong productivity. The intensification of oceanic upwelling conditions also favors the siliceous productivity. The increasing influence of fluvial discharges, marked by a greater abundance of brackish diatoms off the mouth, corresponds fairly well to the establishment of the axial edifice of the Congo deep sea fan around ~ 230 ka BP. Two exploratory studies were conducted in complement: The study of morphometric variability of the diatom species Fragilariopsis doliolus, that highlighted important variation of the valvar surface during the Quaternary; the study of the silica isotopes that proved to be complex, because of important mix of biogenic and lithogenic silica in the samples.

La fonctionnalisation chimique de surfaces hétérogènes (fonctionnalisation orthogonale) est une méthode efficace pour diriger l’ancrage de diverses cibles (biomolécules ou nano-objets) sur des zones précises prédéfinies sur un substrat. Ceci est particulièrement intéressant dans le domaine des biocapteurs à plasmons localisés (LSPR) où la transduction ne peut se faire que sur des nano- structures métalliques. L’enjeu est alors d’assurer que les molécules à détecter se fixent spécifiquement sur ces nanostructures et ne s’adsorbent pas sur la surface diélectrique environnante. Dans ce but, nous avons développé dans cette thèse des fonctionnalisations orthogonales de surfaces micro et nanostructurées d’or sur silice à l’aide de divers thiols et silanes. Par rapport à l’état de l’art dans ce domaine, nous avons notamment proposé un protocole en une seule étape et démontré la bonne orthogonalité de ces fonctionnalisations par différentes méthodes de caractérisation chimique de surface (notamment PM-IRRAS, XPS et ToF-SIMS). De plus, ces fonctionnalisations sélectives ont permis l’ancrage spécifique de diverses nanoparticules de latex sur des micro et nanostructures d’or entourées de silice, démontré par MEB. Actuellement, cette méthodologie est en cours d’application dans deux composants photoniques différents où l’on attend d’une part des effets d’exaltation de fluorescence par couplage de nano-antennes et nanobilles marquées et d’autre part un gain en sensibilité d’un biocapteur LSPR pour la détection de différentes biomolécules. / Orthogonal surface chemical functionalization is an efficient method for the selective trapping of different targets (biomolecules or nano-objects) onto predefined regions of a patterned substrate. This is specially interesting in the field of localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensors, where transduction only occurs on metallic nanostructures. The aim is thus to ensure that the target molecules can be selectively anchored onto these nanostructures and not adsorbed on the surroun- ding dielectric surface. Thus, we have developped during this PhD different orthogonal functio- nalizations of micro and nanopatterned gold on silica surfaces with thiols and silanes. In regards to the state of the art in this topic, we have proposed a single-step protocol and demonstrated the good orthogonality of such functionalizations by extensive surface chemical characterization including PM-IRRAS, XPS and ToF-SIMS analysis. Furthermore, these functionalizations have been used for the selective anchoring of different latex nanoparticles onto micro and nanopatterns of gold surrounded by silica, as shown by SEM. At the moment, this methodology is being applied in two different photonic devices where we expect on the one hand a coupling between fluorescent nano- beads and plasmonic nano-antennas and, on the other hand, the increase in sensitivity of an LSPR biosensor for detecting different biomolecules.

La biogéochimie de l’Océan austral joue un rôle crucial dans la régulation de la production primaire marine globale en contrôlant la disponibilité des nutriments dans les eaux de surface des basses latitudes. Les variations du cycle du silicium (Si) sont nombreuses et son couplage avec les autres éléments n’est pas encore bien compris dans cet océan. Les résultats issus de deux approches isotopiques différentes suggèrent qu’une pompe de Si active est rapidement initiée au printemps par la transition d’un mode de production de silice biogénique régénéré à une production dite « nouvelle ». L’évolution saisonnière de la composition isotopique naturelle du Si (δ30Si) est principalement contrôlée par l’équilibre entre les rapports « dissolution/production » et « Si-supply/Si-uptake » qui découplent la dynamique isotopique des réservoirs de Si dissout et particulaire (respectivement DSi et BSi). Nous avons également utilisé les mesures de δ30Si pour retracer les flux saisonniers de BSi vers l’océan profond. Ces résultats confirment que le δ30Si n’est pas altéré durant la sédimentation des particules. L’évolution saisonnière du δ30Si a permis de quantifier pour la première fois certains processus contrôlant la production des diatomées et leur devenir, tels que les évènements de mélange alimentant la ML en nutriments, ou l’évolution saisonnière de la vitesse de sédimentation des particules. Ces résultats confirment que le δ30Si du DSi et de la BSi, combinés aux techniques isotopiques de mesure des flux dans la ML, sont des outils prometteurs dans l’amélioration de nos connaissances du cycle du Si et apportent des informations nouvelles à intégrer aux modèles biogéochimiques. / Southern Ocean biogeochemistry plays a crucial role on global marine primary production by impacting the nutrient availability even in low latitude surface water. Variations in the silicon (Si) cycle are large and its coupling to other nutrient biogeochemical cycles is still not well understood in this ocean. Results of two different isotopic approaches suggested that a strong silicon pump was quickly initiated in spring by a switch from regenerated to new biogenic silica production. The seasonal evolution of natural Si isotopic composition (δ30Si) was mainly driven by the balance between the “dissolution to production” and “Si-supply to Si-uptake” ratios that decoupled the isotopic dynamics of particulate and dissolved Si-pools (DSi and BSi, repectively). We also used δ30Si measurements to track seasonal flows of BSi to the deep sea with. These results confirmed that the δ30Si is well preserved during particles settling. The seasonal evolution of δ30Si signal allows for the first time to quantify important features about the processes controlling the diatoms’ productivity and its fate, such as mixing events that bring nutrient in the ML or the seasonal evolution of particles sinking velocities. These insights confirm that the δ30Si of DSi and BSi, combined to isotopic technics to measure Si fluxes in the ML, are promising tools to improve our understanding on the Si-biogeochemical cycle and provide new constraints for application to biogeochemical models.

Les polyélectrolytes sont des polymères avec des unités de répétition ionisables qui dans un solvant polaire, comme l’eau, se dissocient en libérant des contre-ions. Les polyélectrolytes, du fait leur présence dans de nombreuses formulations, de leur rôle dans les processus industriels, les milieux biologiques et environnementaux ont fait l’objet d’un grand nombre d’études. Pour mieux comprendre et exploiter les polyélectrolytes, leurs propriétés en présence d’autres composés doivent cependant être étudiées plus en détail. Dans cette optique, ce travail se concentre sur la modification des propriétés dynamiques de polyélectrolytes courts en présence de nanoparticules de silice. Dans ce but, nous avons conçu un système expérimental de diffuseurs dispersés au sein de suspensions d’obstacles chargés. Les diffuseurs sont des molécules de carboxylate de différentes tailles : des carboxylates simples jusqu’aux polyélectrolytes (polyacrylate de sodium, PAANa) courts. Les obstacles sont des nanoparticules de silice de différentes tailles et charges de surface. L’étude des carboxylates simples a été suggérée par la nécessité de réduire la complexité des diffuseurs. L’autodiffusion des molécules est étudiée principalement par diffusométrie RMN, technique qui permet d’étudier les mouvements browniens de molécules sur une échelle de temps de 10-1000 ms (10-100 μm en échelle spatiale). Ce travail examine également comment la présence de polyélectrolytes modifie les interactions entre particules de silice en utilisant la diffusion de neutrons aux petits angles. / Polyelectrolytes are a particular class of polymers with ionizable repetition units that dissociate in polar solvents (such as water) leading to macro-ions and counterions. Solutions and materials made of polyelectrolytes are extensively used in several formulations and in industrial, biological and environmental processes. For a better insight into these systems, the properties of polyelectrolytes in presence of other particles have to be studied in more detail. This work deals with the modification of the dynamics properties of short polyelectrolytes in presence of charged silica nanoparticles.To study this problem, we design an experimental system made of carboxylate molecules of various sizes, from simple carboxylate (propionate) up to short polyelectrolytes (sodium polyacrylate, PAANa), diffusing in aqueous dispersions of silica nanoparticles of different size and surface charge. Both polyelectrolytes and nanoparticles are negatively charged at high pH. Thanks to the use of simple carboxylates, it is possible to reduce the complexity of the diffusers. The self-diffusion of the molecules is investigated using NMR diffusion experiments, which monitors the Brownian motions of individual molecules on 10-1000 ms timescale (10-100 μm spatial scale). This work also investigates how the presence of polyelectrolytes modifies the phase behaviour of silica particles by using small angle neutron scattering.