Il est bien connu que divers solides amorphes ont de nombreuses propriétés universelles. L'une d'entre elles est la variation de la conductivité thermique en fonction de la température. Cependant, le mécanisme microscopique du transfert de chaleur dans le domaine de température supérieure à 20 K est encore mal compris. Simulations numériques récentes du silicium et de la silice amorphes montrent que les modes de vibration dans la gamme de fréquences correspondante (au-dessus de plusieurs THz) sont délocalisés. En même temps ils sont complètement différents des phonons acoustiques de basse fréquence, dits « diffusions ».Dans ce travail, nous présentons un modèle stable de matrice aléatoire d'un solide amorphe. Dans ce modèle, on peut faire varier le degré de désordre allant du cristal parfait jusqu'au milieu mou extrêmement désordonné sans rigidité macroscopique. Nous montrons que les solides amorphes réels sont proches du deuxième cas limite, et que les diffusions occupent la partie dominante du spectre de vibration. La fréquence de transition entre les phonons acoustiques et diffusons est déterminée par le critère Ioffe-Regel. Fait intéressant, cette fréquence de transition coïncide pratiquement avec la position du pic Boson. Nous montrons également que la diffusivité et la densité d'états de vibration de diffusons sont pratiquement constantes en fonction de la fréquence. Par conséquent, la conductivité thermique est une fonction linéaire de la température dans le domaine allant à des températures relativement élevées, puis elle sature. Cette conclusion est en accord avec de nombreuses données expérimentales. En outre, nous considérons un modèle numérique de matériaux de type de silicium amorphe et étudions le rôle du désordre pour les vibrations longitudinales et transverses. Nous montrons aussi que la théorie des matrices aléatoires peut être appliquée avec succès pour estimer la densité d'états vibrationnels des systèmes granulaires bloqués. / It is well known that various amorphous solids have many universal properties. One of them is the temperature dependence of the thermal conductivity. However, the microscopic mechanism of the heat transfer above 20 K is still poorly understood. Recent numerical simulations of amorphous silicon and silica show that vibrational modes in the corresponding frequency range (above several THz) are delocalized, however they are completely different from low-frequency acoustic phonons, called “diffusons”.In this work we present a stable random matrix model of an amorphous solid. In this model one can vary the strength of disorder going from a perfect crystal to extremely disordered soft medium without macroscopic rigidity. We show that real amorphous solids are close to the second limiting case, and that diffusons occupy the dominant part of the vibrational spectrum. The crossover frequency between acoustic phonons and diffusons is determined by the Ioffe-Regel criterion. Interestingly, this crossover frequency practically coincides with the Boson peak position. We also show that, as a function of frequency, the diffusivity and the vibrational density of states of diffusons are practically constant. As a result, the thermal conductivity is a linear function of temperature up to rather high temperatures and then saturates. This conclusion is in agreement with numerous experimental data.Further, we consider a numerical model of amorphous silicon-like materials and investigate the role of disorder for longitudinal and transverse vibrations. We also show that the random matrix theory can be successfully applied to estimate the vibrational density of states of granular jammed systems.

Par la mise en œuvre de simulations numériques d'un modèle bidimensionnel de verre de Lennard-Jones, nous étudions l'effet de la température sur les mécanismes élémentaires de la déformation dans les matériaux amorphes. Nous présentons un ensemble très complet de données couvrant plusieurs décades de taux de cisaillement à différentes températures en dessous et jusqu'à la transition vitreuse. Les mesures, qui portent sur la diffusion transverse, la contrainte macroscopique ainsi que sur des champs mésoscopiques (déformation, contrainte) et leurs corrélations spatiales, conduisent à proposer que la dynamique des avalanches identifiée précédemment dans les simulations athermiques continue d'être à l'œuvre - en restant presque inchangée - jusqu'à la transition vitreuse. Nous arguons que dans la gamme de paramètres utilisée l'effet des fluctuations thermiques revient à déplacer les seuils auxquels les événements dissipatifs se produisent, ce qui se traduit par une forte baisse du niveau de contrainte macroscopique aux températures les plus basses / Using numerical simulations of a model two-dimensional Lennard-Jones glass, we study the effect of small temperatures on the elementary mechanisms of deformation in amorphous materials. A very extensive data set covering several decades of shear rate at various temperatures below and up to the glass transition was compiled. Measurements, which include transverse diffusion, macroscopic stress, and coarse-grained fields (strain, stress) and their spatial correlations, lead us to propose that the avalanche dynamics previously identified in athermal simulations continues to be at work -- and nearly unchanged -- up to the glass transition. It is then argued that in this range, thermal fluctuation essentially shift the strains at which dissipative events take place, which results in a sharp drop of the macroscopic stress level at the lowest temperatures

Par la mise en œuvre de simulations numériques d'un modèle bidimensionnel de verre de Lennard-Jones, nous étudions l'effet de la température sur les mécanismes élémentaires de la déformation dans les matériaux amorphes. Nous présentons un ensemble très complet de données couvrant plusieurs décades de taux de cisaillement à différentes températures en dessous et jusqu'à la transition vitreuse. Les mesures, qui portent sur la diffusion transverse, la contrainte macroscopique ainsi que sur des champs mésoscopiques (déformation, contrainte) et leurs corrélations spatiales, conduisent à proposer que la dynamique des avalanches identifiée précédemment dans les simulations athermiques continue d'être à l'œuvre - en restant presque inchangée - jusqu'à la transition vitreuse. Nous arguons que dans la gamme de paramètres utilisée l'effet des fluctuations thermiques revient à déplacer les seuils auxquels les événements dissipatifs se produisent, ce qui se traduit par une forte baisse du niveau de contrainte macroscopique aux températures les plus basses

Les films de silice dont sont constitués les traitements antireflets des verres de lunettes sont déposés par vaporisation au canon à électrons, à température ambiante. Ils sont le siège de fortes contraintes résiduelles compressives qui diminuent considérablement leur stabilité mécanique. Ces contraintes sont difficiles à contrôler parce que les paramètres process qui les affectent sont très nombreux: propriétés du substrat, du gaz résiduel, caractéristiques de l’enceinte et du canon à électrons, vitesse de croissance,… Ils ne sont par ailleurs pas tous indépendants et agissent souvent sur plusieurs phénomènes physiques à la fois. Dans cette thèse, nous mettons en œuvre des simulations numériques et des expériences pour identifier les mécanismes à l’origine de la mise en compression des films de silice pendant leur croissance. Les expériences nous permettent de distinguer trois régimes de croissance, en fonction de la pression de gaz résiduel. Sous vide très poussé, où le gaz a un rôle négligeable, les films croissent en compression. Ensuite, à mesure que la pression augmente, l’incorporation d’espèces issues du gaz dans les films les comprime légèrement. Enfin, lorsque la pression augmente encore, le ralentissement des particules vaporisées par le gaz diminue fortement le niveau de compression et masque l’effet d’incorporation. Les dépôts de silice par dynamique moléculaire nous permettent d’explorer la limite de vide idéal. Grâce à une étude paramétrique systématique, nous trouvons que la mise en compression des films est exclusivement contrôlée par l’énergie cinétique moyenne des particules incidentes. En outre, les valeurs expérimentales ne peuvent être retrouvées qu’avec une énergie de quelques eV, au moins dix fois plus grande que toutes les prédictions formulées dans la littérature sur le dépôt. Ce résultat inattendu nous conduit à réfuter l’idée que la vaporisation au canon à électrons procéderait par simple échauffement thermique. Nous le confirmons en déposant expérimentalement des films à partir de monoxyde de silicium, évaporé thermiquement ou vaporisé au canon à électrons: les premiers croissent en tension, les seconds en compression. Finalement, pour expliquer les quelques eV prédits, nous proposons que sous irradiation électronique, une concentration de charges se forme à la surface de la silice en raison de sa très faible conductivité électrique. Les particules vaporisées qui sont chargées sont alors accélérées par répulsion Coulombienne / Silica thin films are widely used as low index layers in antireflective coatings. In the ophthalmic industry, they are deposited at ambient temperature, by electron beam vaporization. This process generates large compressive stresses which make the coatings susceptible to damage. It is thus crucial to understand how these stresses emerge. However, this problem is highly complex because many process parameters may play a role: substrate and residual gas properties, characteristics of the deposition chamber, of the electron gun, growth rate,… Moreover, these parameters may depend on each other and affect several phenomena at the same time. In this thesis, numerical simulations and experiments are performed in order to identifiy the mechanisms responsible for the generation of compressive stresses during film growth. The experiments reveal three regimes of growth, depending on the residual gas pressure. Near ultra high vacuum, where the effect of residual gas is negligible, films grow under compression. Then, as pressure increases, incorporation of gas species in the films slightly compresses them. Eventually, when pressure is high enough so that vaporized particles are slowed down by collisions with gas particles, the level of compression significantly decreases; this rapidly masks the incorporation effect. Molecular dynamics simulations allow us to explore the ideal vacuum limit. By depositing silica films in a vast ensemble of conditions, we find that their compressive state of stress is solely controlled by the mean kinetic energy of incident particles. Comparison with experiments suggests that this energy is equal to a few eV, which is at least ten times greater than predictions from the literature on deposition. This unexpected result leads us to refute the idea that electron beam vaporization would be equivalent to simple themal heating. We confirm this experimentally, by comparing films deposited from silicon monoxide either thermally evaporated or vaporized using an electron beam: the formers grow under tension while the latters under compression. Finally, we explain the ejection of particles of a few eV as coming from the very low electrical conductivity of silica: under electronic irradiation, charges accumulate at its surface and accelerate the charged vaporized particles by Coulombian repulsions

Mon travail de thèse est centré sur la compréhension des propriétés d'émission des gros grains de poussières dans le domaine submillimétrique et du couplage de ces grains avec le gaz interstellaire dans les régions froides et denses. Des observations astrophysiques marquantes (PRONAOS, FIRAS) révèlent que les grains possèdent à grande longueur d'onde des propriétés d'émission inattendues qui ne peuvent pas être comprises par la seule considération des modèles usuels. Pour expliquer ces propriétés, nous avons proposé un modèle original d'émission des grains, basé sur les propriétés physiques intrinsèques des solides amorphes. Ce modèle permet de rendre compte de l'anticorrélation existant entre la température d'équilibre des gros grains T et leur indice spectral d'émissivité Β, déduite des mesures PRONAOS (Dupac et al. 2003) mais également de l'excès submillimétrique observé par FIRAS. Il permet ainsi d'interpréter deux faits observationnels distincts qui n'avaient jamais été expliqués de manière simultanée et définit ainsi le canevas d'un futur modèle de grains. Pour avoir une meilleure compréhension des propriétés d'émission/absorption des grains, j'ai complété ce travail théorique par des expériences en laboratoire sur les propriétés d'absorption de différents types de silicates amorphes, à basse température et grande longueur d'onde. Pour la première fois, nous avons analysé nos spectres d'absorption en distinguant deux domaines fréquentiels (500Μm-1mm et 100Μm-200Μm) dans lesquels l'absorption présente une dépendance fréquentielle différente. Pour des longueurs d'onde comprises entre 500Μm et 1mm, l'indice spectral Β présente une anti-corrélation marquée avec la température, d'allure similaire à celle mesurée par le ballon PRONAOS. Cette variation de l'absorption pourrait être expliquée par la présence de défauts (groupements OH ou ions modifiant le réseau). Dans les environnements froids et denses, les propriétés d'émission des grains sont modifiées notamment par les processus d'agglomération des grains entre eux, processus favorisés par la présence de manteaux de glace. Dans ce cadre il apparaissait intéressant de relier les modifications des propriétés d'émission des grains à celles du gaz. Le traitement et l'analyse de données moléculaires CO et N2H+ en direction d'un filament de la constellation du Taureau nous a permis de démontrer que le processus d'agglomération des grains entre eux n'était pas initié par la présence de manteaux de glace de CO mais plus probablement par celle de manteaux de glace de H2O. Enfin, nous avons confirmé les résultats de SWAS sur la sous-abondance de l'eau en phase gazeuse dans les environnements froids et denses en étudiant, en direction d'un nuage sombre (Cha-MMS1), la raie d'émission submillimétrique de l'eau dans sa transition fondamentale avec le satellite ODIN.

Sur la Rigidité des Solides Amorphes: On comprend mal les propriétés microscopiques des solides amorphes, comme le transport, la propagation des forces ou la nature de leur rigidité mécanique. Ces questions semblent liées à la présence d'un excès de modes vibratoires à basse fréquence, le ''pic boson". On explique la nature de ces modes dans les systèmes répulsifs à courte portée. On argumente que cette description s'applique aussi aux milieux granulaires, à la silice, et aux verres colloïdaux. Fluctuations des prix, Conventions et Microstructure des marches Financiers: Les fluctuations des cours de la bourse ont des propriétés étonnantes. La volatilité (l'amplitude de ces fluctuations) est environ un ordre de grandeur plus grand que les prédictions de la théorie des marches efficients, et est corrèlee sur des échelles de temps très longs. Les agents sur réagissent aux informations. On montre que ces propriétés apparaissent lorsque les agents agissent en fonction de leur expérience et du passé du marché. On étudie aussi la microstructure des marchés, qui régulent les échanges aux temps courts. On explique pourquoi le prix est diffusif bien que les ordres marchés (les chocs subis par les prix) soient très corrélés. On évalue la fourchette des prix par des arguments de symétrie.

Lors de cette dernière décennie, le développement de formes pharmaceutiques innovantes permettant d'améliorer l'efficacité, la sécurité et l'acceptabilité des médicaments pédiatriques est en pleine croissance. Les films orodispersibles (ODF) appartiennent à ces nouvelles formes galéniques améliorant la compliance des patients. Ils sont constitués d'une matrice de polymère hydrophile dans laquelle un ou des principe(s) actif(s) (PA) sont dissous ou dispersés. Après dépôt de l'ODF sur la langue ou dans la cavité buccale, la matrice se désagrège libérant le PA pour une action locale ou systémique. Dans cette étude, la mise au point d'ODF, par la méthode de coulée/évaporation de solvant a été explorée afin d'administrer un PA d'intérêt en pédiatrie, la tétrabénazine (TBZ). Les caractérisations physicochimiques et biopharmaceutiques des ODF ont mis en évidence une augmentation de la vitesse et du taux de dissolution de la TBZ induit par son état amorphe. Le système constitué d'un support polymère et d'un PA sous forme amorphe peut être assimilé aux dispersions solides amorphes (SD). Les études réalisées démontrent l'importance de la nature du polymère utilisé pour maintenir les propriétés initiales du système dans le temps. La formation de liaisons hydrogène entre la PA étudié et le polymère est un facteur essentiel pour assurer la stabilité des SD. De plus, l'incorporation de cyclodextrines (CD) prolonge l'état amorphe du PA en générant des liaisons hydrogène avec la TBZ et en l'entourant d'une barrière chimique. Cette association favorise la libération du PA par effet synergique améliorant la biodisponibilité. Cette forme innovante représente un intérêt majeur dans l'amélioration de l'observance dans le cadre d'un traitement pédiatrique / During the last decade, various strategies to develop innovating oral dosage forms for pediatric population were investigated in order to improve treatment efficiency, safety and acceptability. Among these new delivery systems, orodispersible films (ODF) present a great potential to enhance patient compliance. In ODF, drug is dissolved or dispersed in a hydrophilic film-forming polymer. Once the ODF is in the mouth, polymeric matrix disintegrates releasing the drug for local or systemic action. In this study, ODF, produced with the solvent casting/evaporation method, were developed to administer a drug of interest for pediatric population, the tetrabetazine (TBZ). Physicochemical and biopharmaceutic characterizations showed that ODF allowed a major improvement of TBZ dissolution profile in simulated saliva, mainly due to the amorphous state of the drug in ODF. ODF were identified as amorphous solid dispersion (SD) composed of both amorphous TBZ and polymer matrix. We demonstrated that the choice of the polymer plays an important role to maintain initial properties of the system and amorphous state stability over the time. H-bonding formation between TBZ and polymer is essential to assure the preservation of TBZ amorphous state. Moreover, the incorporation of cyclodextrins (CD), by generating H-bonding with TBZ, has extended its stability. By synergic effect, this association produces an improvement of drug release leading to promote bioavailability. As they are easy to swallow and allow enhancing treatment efficiency, ODF appear as suitable delivery forms for pediatric patients

La principale difficulté lors de l'administration orale d'un ingrédient pharmaceutique actif (API) est de garantir que la dose clinique de l’API sera dissoute dans le volume disponible de liquides gastro-intestinaux. Toutefois, environ 40% des API sur le marché et près de 90% des molécules en cours de développement sont peu solubles dans l’eau et présentent une faible absorption par voie orale, ce qui entraîne une faible biodisponibilité. Les dispersions solides amorphes (ASD) sont considérées comme l’une des stratégies plus efficaces pour résoudre des problèmes de solubilité des principes actifs peu solubles dans l’eau et, ainsi, améliorer leur biodisponibilité orale. En dépit de leur introduction il y a plus de 50 ans comme stratégie pour améliorer l’administration orale des API, la formation et la stabilité physique des ASD font toujours l'objet de recherches approfondies. En effet, plusieurs facteurs peuvent influer sur la stabilité physique des ASD pendant le stockage, parmi lesquels la température de transition vitreuse du mélange binaire API-polymère, la solubilité apparente de l'API dans le polymère, les interactions entre l'API et le polymère et le procédé de fabrication. Cette thèse consistait en deux parties qui avaient pour objectif le développement de nouvelles formulations sous forme d’ASD d'un antirétroviral, l'Efavirenz (EFV), dispersé dans un polymère amphiphile, le Soluplus, en utilisant deux procédés différents, le séchage par atomisation (SD) et l'extrusion à chaud (HME). EFV est l’API BCS de classe II de notre choix car c’est un API qui représente un défi pour les nouvelles formulations. En effet, il a besoin d’ASD plus fortement concentrées, pour lesquelles la stabilité chimique et physique pendant le stockage et la dissolution seront essentielles. Dans le but de développer de manière rationnelle les ASDs EFV- Soluplus à forte concentration, la première partie s'est concentrée sur la construction d'un diagramme de phases EFV-Soluplus en fonction de la composition et de la température. Le diagramme de phases a été construit à partir d'une étude thermique de recristallisation d'un ASD sursaturé (85 %m EFV), générée par séchage par atomisation. À notre connaissance, il s'agit de la première étude à présenter un diagramme de phase pour ce système binaire. Ce diagramme de phases est très utile et démontre que la solubilité de l'EFV dans les solutions varie de 20 %m (25 °C) à 30 %m (40 °C). Les ASD de EFV dans le Soluplus contenant plus de 30 %m d'EFV doivent être surveillées pendant le stockage dans des conditions typiques de température. Ce diagramme de phases peut être considéré comme un outil de pré-formulation pour les chercheurs qui étudient de nouvelles ASD d'EFV dans le Soluplus afin de prédire la stabilité (thermodynamique et cinétique). Les ASD préparées par différentes techniques peuvent afficher des différences dans leurs propriétés physicochimiques. La deuxième partie de cette thèse portait sur la fabrication d’ASD par des procédés HME et SD. Cette étude montre clairement que la formation d’ASD est une stratégie de formulation utile pour améliorer la solubilité dans l'eau et la vitesse de dissolution de l'EFV à partir de mélanges binaires EFV-Soluplus. Les procédés de fabrication (HME et SD) se sont révélés efficaces pour générer des ASD dans une large gamme de compositions en EFV. L'optimisation du ratio EFV-Soluplus peut être utilisée pour adapter la libération cinétique des ASD. Le choix d’une charge EFV élevée dépassant la solubilité thermodynamique de l’EFV dans le Soluplus est possible, mais il convient de prendre en compte sa stabilité cinétique dans le temps. / The main difficulty when an Active Pharmaceutical Ingredient (API) is orally administered is to guarantee that the clinical dose of the API will be dissolved in the available volume of gastrointestinal fluids. However, about 40% of APIs with market approval and nearly 90% of molecules in the discovery pipeline are poorly water-soluble and exhibits a poor oral absorption, which leads to a weak bioavailability. Amorphous solid dispersions (ASD) are considered as one of the most effective strategies to solve solubility limitations of poorly-water soluble compounds and hence, enhance their oral bioavailability. Despite their introduction as technical strategy to enhance oral APIs bioavailability more than 50 years ago, ASD formation and physical stability remains a subject of intense research. Indeed, several factors can influence the physical storage stability of ASD, among them, the glass transition temperature of the API-carrier binary mixture, the apparent solubility of the API in the carrier, interactions between API and carrier, and the manufacturing process. This thesis consisted of two parts that aim on developing new formulations of ASD of an antiretroviral API, Efavirenz (EFV), dispersed in an amphiphilic polymer, Soluplus, by using two different processes, Spray-drying (SD) and Hot-melt extrusion (HME). EFV is the class II BCS API of our choice because it is a challenging API for new formulations. It needs higher-dosed ASDs, for which chemical and physical stability during storage and dissolution will be critical. Aiming a rational development of high-loaded EFV-Soluplus ASDs, the first part focused on the construction of a temperature- composition EFV-Soluplus phase diagram. The phase-diagram was constructed from a thermal study of recrystallization of a supersaturated ASD (85 wt% in EFV), generated by spray drying. To our knowledge, this is the first study reporting a phase-diagram for this binary system. This phase-diagram is very useful and demonstrated that the EFV solubility in Soluplus ranges from 20 wt% (25 °C) to 30 wt% (40 °C). ASD of EFV in Soluplus containing more than 30 wt% of EFV should be monitored over storage under typical temperature conditions. This phase-diagram might be considered as a preformulation tool for researchers studying novel ASD of EFV in Soluplus, to predict (thermodynamic and kinetic) stability. ASD prepared by different techniques can display differences in their physicochemical properties. The second part of this thesis focused on the manufacturing of ASD by HME or SD processes. This study clearly shows that ASD is a useful formulation strategy to improve the aqueous solubility and the dissolution rate of EFV from EFV-Soluplus binary mixtures. HME and SD manufacturing processes demonstrated to be efficient to generate ASDs in a large range of compositions and loads of EFV. The optimization of EFV to Soluplus ratio can be used to tailor the release kinetics from ASD. The choice of a high EFV load exceeding the thermodynamic solid solubility in Soluplus is possible but it needs the consideration of its kinetic stability over time.