Ce travail de thèse est consacré à la caractérisation physique de la surface de Mars et à l'étude des facteurs dynamiques la modifiant. Deux aspects sont étudiés. Le premier concerne les propriétés thermo-physiques qui sont un moyen de contraindre les actions que les forces érosives et sédimentaires cumulées sur les temps géologiques ont joué à la surface de Mars. Le second est l'hydratation de la surface de Mars qui est une donnée importante du système climatique martien en tant que réservoir d'eau.Afin de caractériser ces deux propriétés physiques de la surface de Mars, nous avons combiné l'approche orbitale permettant une couverture globale, l'approche in situ qui fournit une interprétation locale robuste et l'utilisation d'outils de simulation des processus physiques. Les données des instruments OMEGA, un spectro-imageur à bord de Mars Express en orbite autour de Mars depuis 2004, et le capteur de température de surface de l'instrument REMS, embarqué à bord de Curiosity et en opération dans le cratère Gale depuis 2012 ont été analysées en détail. Les mesures de température de surface de ces deux instruments ont été inversées pour caractériser les propriétés thermo-physiques de la surface au moyen d'un modèle climatique. Nous présentons la première carte globale de l'inertie thermique de la surface de Mars calculées à partir des données OMEGA et nous mettons en évidence de manière inédite des comportements thermiques spécifiques d'assemblages hétérogènes à la surface de Mars ou de processus physiques négligés.Les informations relatives à l'hydratation de la surface ont pu être extraites des données OMEGA grâce à la prise en compte de mesures en laboratoire et ont été interprétées de concert avec les résultats de plusieurs missions autour ou à la surface de Mars et des simulations climatiques du cycle de l'eau afin de reconstruire l'histoire de cette hydratation. Nous trouvons que l'hydratation est stable tout au long de l'année martienne et qu'elle augmente avec la latitude de manière asymétrique entre les deux hémisphères. La distribution spatiale de l'hydratation coincide avec les zones en contact régulier avec des dépôts de givre, qui apparaît ainsi être à l'origine du processus responsable de l'implémentation de l'eau dans le régolite martien. / This thesis work is devoted to the physical characterization of the Martian surface and to the study of dynamic processes modifying it. Two aspects are addressed. The first concerns the thermo-physical properties which are a mean to putting constraints on to the erosive and sedimentary actions summed over the geologic history. The second is the hydration of the Martian surface which plays, as a planetary reservoir of water, an important role on the Martian climate.In order to characterize these two physical parameters of the Martian surface, we have combined the orbital view which allows a global coverage with in situ measurements, which provides a robust local interpretation, and we have used tools allowing numerical simulations of physical processes. Data from OMEGA, an imaging spectrometer onboard Mars Express orbiting Mars since 2004, and from the ground temperature sensor of the REMS instrument onboard Curiosity have been analyzed in details. Surface temperature measurements from these two instruments have been inverted using a climate model for characterizing the thermo-physical properties of the Martian surface. We present the first global map of the Martian surface thermal inertia constructed from OMEGA data and we directly highlight for the first time some thermal behavior caused by heterogeneous mixtures or neglected physical processes at the surface of Mars.Information regarding the hydration of the Martian surface have been extracted from OMEGA data using a large set of laboratory experiments. This information has been interpreted together with scientific results from multiple mission orbiting or at the surface of Mars and with numerical simulations of the Martian water cycle in order to reconstruct the history of this hydration. We find that the hydration remains stable throughout the whole Martian year and that it increases with latitude with an asymetry between the two hemispheres. The spatial distribution of the hydration fits areas that are in regular contact with water frost, which therefore seems to be involved in the process of water implementation in the Martian regolith.

La majeure partie de mon travail de thèse a porté sur l’étude de la composition chimique de la surface d’Europe. Afin d’apporter une plus-value par rapport aux résultats de l’instrument NIMS à bord de la sonde Galileo qui orbita dans le système jovien de 1995 à 2003, une campagne d’observations depuis le sol a été menée avec le spectromètre imageur infra-rouge SINFONI au VLT. Cinq observations en optique adaptative possédant une résolution spatiale d’environ 160 km et une résolution spectrale R=1500 dans le proche infra-rouge furent acquises. Une procédure complexe de réduction des données a été mise en place afin de construire un cube hyperspectral global en réflectance de la surface. La modélisation linéaire de chacun des spectres du cube a permis d’aboutir aux premières cartes d’abondances absolues jamais obtenues pour la surface d’Europe. Ces cartes confirment la présence des deux espèces majoritaires, la glace d’eau et l’acide sulfurique hydraté. La distribution de l’acide sulfurique est centrée sur l’hémisphère orbital arrière qui est préférentiellement impacté par un flux d’ions de soufre originaires du tore de plasma produit par l’activité volcanique d’Io. Cependant, deux résultats inattendus ont été obtenus. Le premier concerne la glace d’eau, dont la forme cristalline est près de deux fois plus abondante que la forme amorphe selon les résultats de la modélisation. Ce résultat, surprenant compte tenu du taux d’irradiation très élevé auquel la surface est soumise, pourrait s’expliquer par l’existence d’un fort gradient de cristallinité au sein de la couche de glace, mais aussi par l’existence d’une activité endogène relativement soutenue qui se traduit visuellement par une surface peu cratérisée, donc jeune. La corrélation entre la distribution des grains cristallins et la géomorphologie semble accréditer la seconde hypothèse. Le second résultat concerne la détection de sels chlorés à partir de la modélisation des spectres hautement résolus de SINFONI, et non de sulfates, remettant en cause les détections marginales annoncées par les observations de l’instrument NIMS/Galileo. La distribution des sels chlorés, tout comme celle de la glace d’eau cristalline, est corrélée à la géomorphologie, ce qui confirme le rôle important des apports endogènes. Des processus tectoniques et cryovolcaniques mis en évidence récemment pourraient être à l’origine de cette distribution. L’autre versant de ma thèse a été consacré aux caractéristiques physiques des grains cométaires de 67P/C-G. L’instrument COSIMA embarqué sur l’orbiter de la sonde Rosetta a permis la collecte, l'imagerie et l'analyse chimique élémentaire des grains présents dans l’environnement proche de 67P/C-G. Une approche automatisée de la détection des grains à partir des images prises par la caméra « COSISCOPE » a été mise en place et a permis de détecter environ 35000 grains ayant une surface de plus de 100 µm2 entre août 2014 et mai 2016. La résolution de 13.7 µm/pixel a rendu possible la caractérisation en détail de la forme et de la structure des grains, et le nombre important de détections a permis d’obtenir des statistiques robustes concernant la distribution en taille et l’évolution de celle-ci au cours du temps. Deux grandes familles de grains ont été identifiées : les grains compacts, qui ne représentent qu’une faible minorité des grains et qui ont été majoritairement collectés en début de mission, et les agrégats, qui ont une structure très poreuse similaire à celle des IDPs et des micrométéorites collectées en Antarctique. La distribution en taille obtenue suit une loi de puissance intégrale en r-2.66. La comparaison avec des lois obtenues à des échelles différentes par d’autres instruments met en évidence des différences qui peuvent être interprétées par des mécanismes d’éjection dépendant de la taille associés à un biais du processus de collecte en orbite. / The major part of my work focused on the study of the chemical composition of Europa’s surface. In order to provide additional insights in comparison to the results of the NIMS instrument onboard the Galileo spacecraft that orbited in the Jovian system from 1995 to 2003, a ground-based observations campaign was conducted with the infrared imaging spectrometer SINFONI on the VLT. Several observations using adaptive optics with a spatial resolution of about 160 km and a spectral resolution R = 1500 in the near-infrared were acquired and then combined. A specific data reduction pipeline was developed to build a global hyperspectral cube in surface reflectance. The linear modeling of each spectra of this cube leads to the first global abundance maps ever obtained for the surface of Europa. These maps confirm the presence of the two major species, namely water ice and hydrated sulfuric acid. The distribution of the hydrated sulfuric acid is centered on the trailing orbital hemisphere preferentially affected by a sulfur ion flux coming from the plasma torus produced by Io volcanic activity. Two surprising results were obtained. The first one concerns water ice, which crystalline form is about twice more abundant than the amorphous form according to the modeling results. This result, unexpected given the very high radiation rate on the surface, could be explained by a strong crystallinity gradient through the ice slab. However, it could also point out an endogenous activity possibly strong as first suggested by its poorly well-known cratered surface. The correlation between the crystalline grains distribution and the geomorphology seems in favor to the second hypothesis. The second result is related to the detection of chlorinated salts from the modeling of highly resolved spectra from SINFONI. Sulfates, first reported by several analyses of NIMS observations are marginal in the modeled composition, hence challenging their presence on the surface of Europa. The chloride distribution, as well as the one of the crystalline water ice, is correlated to geomorphology, potentially confirming significant endogenous contributions as the result of tectonic and cryovolcanic processes recently highlighted. The second part of my PhD was dedicated to the physical characteristics of the 67P/C-G’s cometary grains. The COSIMA instrument onboard the Rosetta orbiter allowed the collection, imaging and elemental chemical analysis of grains present in the immediate environment of 67P/C-G. An automated approach of the grains detection based on images taken by the camera "COSISCOPE" was set up and able to detect about 35.000 grains having an area of more than 100 µm² between August 2014 and May 2016. The resolution of 13.7 µm/pixel allowed to perform a detailed characterization of the shape and the structure of the grains, and the large number of detections permitted to obtain significant statistics on the size distribution and its evolution over the time. Two large families of grains have been identified: the compact grains, which represent only a small minority of grains mostly collected at the beginning of the mission, and aggregates, which have a very porous structure similar to those of IDPs and micrometeorites collected in Antarctica. The size distribution obtained follows an integrated power law in r-2.66. The comparison with the laws obtained at different scales by other instruments highlights differences that can be interpreted by ejection mechanisms depending on the size associated with a selection bias during the collection process in orbit.

L’étude en laboratoire d’échantillons extraterrestres, issus d’objets primitifs, est fondamentale aussi bien pour améliorer notre connaissance de la formation et de l’évolution de notre Système Solaire que pour interpréter les observations faites par les missions spatiales.Des analyses précises en laboratoire de ces échantillons sont essentielles pour comprendre les conditions physico-chimiques qui ont mené à la formation des petits corps et des planètes. Le but de cette thèse interdisciplinaire a été d’exploiter l’imagerie infrarouge et de développer un dispositif de microtomographie en spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier.Nous étudierons des fragments de météorites et de poussières astéroïdales. De plus, la tomographie en rayons X a été utilisée pour contraindre précisément la forme de l’échantillon. Avec ces analyses, nous avons caractérisé la composition de matériaux extraterrestres à très petite échelle sans les détruire. Nous avons étudié l’effet des processus post-accrétionels, comme l’altération spatiale, à l’intérieur du corps parent, ou l’altération spatiale, à la surface de l’astéroïde, à la fois sur les parties minérale et organique. En particulier,nous avons pu grâce à cette expérience,étudier la corrélation spatiale de la matière minérale et organique, ce qui est fondamental pour comprendre l’origine et l‘évolution de la matière organique. / Laboratory based studies of extraterrestrialmaterials derived from primitive objectsis fundamental to improve our knowledgeabout the formation and the evolutionof the Solar System as well as for interpretingobservations collected by spacecraftand landers. Precise laboratory analysesof samples obtained from sample returnmissions are essential to understand theconditions and the physico-chemical processes,which lead to the formation of thesmall bodies and planets. The aim of thisinterdisciplinary thesis was to exploit theinfrared imaging and to implement threedimensionalFourier transform infrared microtomographyto study different extraterrestrialmaterials (meteorites and asteroidaldust). Moreover, X-ray tomographywas used to determine the precise shape ofthe samples. With these analytical methods,we have characterized the compositionof extraterrestrial materials withoutdestroying them at very high resolution.We have studied the post-accretional effects,such as aqueous alteration inside theparent’s bodies or space weathering at thesurface of asteroids, on both the mineraland the organic components. In particular,we studied the correlations between the organicmaterials and the minerals observedin the sample, which is fundamental to understandthe origin and the evolution of theorganic matter.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

"Thèse en cotutelle, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France" / Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2018-2019 / Les composés multimatériaux à base de verre connaissent aujourd’hui un intérêt croissant, en particulier sous la forme de fibres optique pour des applications dans l’infrarouge. Parmi les matériaux vitreux qui existent, les verres chalcogénures présentent de nombreux avantages, tel qu’un large domaine de transparence allant du visible à l’infrarouge ou encore de bonnes aptitudes à pouvoir être étirés. Pour réaliser de nouvelles fibres multimatériaux, il est important d’avoir accès à un choix étendu de compositions vitreuses étirables pouvant servir de matrice hôte. Il peut être montré que les verres actuellement utilisés pour la réalisation de fibres multimatériaux couvrent deux plages de température de transition vitreuse différentes; soit à basse température (100-250 °C), ou à haute température (1000 °C et plus). Le manque d’information sur des verres étirables couvrant un domaine intermédiaire de température entre 250 et 1000 °C, nous ont conduit à explorer les propriétés et les capacités d’étirement des verres des deux systèmes ternaires Ge-S-I et Ga-As-S. Il sera montré que ces systèmes vitreux ont en effet des Tg permettant de couvrir cette gamme intermédiaire de température et ont de larges domaines de formation vitreux. Un ensemble de caractérisations physiques et thermiques sur les verres au sein des systèmes ternaires Ge-S-I et Ge-As-S seront présentés et analysés. Il sera possible d’observer, comment notamment les résultats des mesures thermomécaniques et de viscosité des échantillons synthétisés ont permis d’aborder dans les meilleures conditions les tests d’étirement des verres. Ou encore comment l’analyse minutieuse des propriétés a pu permettre de définir un domaine de composition combinant à la fois des propriétés optimales en termes de Tg et de transparence dans le visible, avec une bonne capacité à pouvoir être étirées sous forme de fibres optiques. Pour la première fois les domaines de fibrage des deux ternaires à partir de l’étirement d’une préforme seront présentés dans ce manuscrit. Ce travail présente également une caractérisation structurale des verres Ge-S-I. Cette étude a été réalisé en combinant la spectroscopie Raman, la spectroscopie IR et des calculs de chimie théorique afin de proposer un nouveau modèle structural basé sur les avancés les plus récentes d’une part sur la structure du système binaire Ge-S, puis ternaire Ge-S-I. Enfin, les résultats préliminaires sur la réalisation de fibres multimatériaux à partir de verres Ge-S-I et Ge-As-S pour la réalisation de sources laser entre 3 et 5 μm, seront présentés. Le projet, la méthodologie et les résultats quant à la réalisation d’une fibre multimatériaux à base de verre chalcogénure avec un cœur cristallisé de ZnS à partir de deux techniques innovantes différentes, seront présentés.

La valeur du panier de produits des peuplements résineux dépend des dimensions et du défilement des tiges, de la présence de défauts internes, mais aussi des propriétés physiques et mécaniques du bois, principalement de la rigidité du bois, puisque le bois d’œuvre résineux est utilisé essentiellement à des fins structurales. La rigidité du bois d’œuvre résineux est estimée en usine lors du classement visuel ou mécanique des sciages. En forêt, cette connaissance n’existe pas et il n’est pas possible aujourd’hui de localiser les régions ou les peuplements avec un fort potentiel de bois rigide, ni d’évaluer la valeur des bois ou encore de comparer la rentabilité des scénarios sylvicoles, en considérant ce critère de qualité déterminant. Cette absence de connaissances s’explique principalement par les efforts et les coûts considérables associés à la réalisation d’un inventaire de la qualité de la fibre, lequel suppose en effet l’échantillonnage de milliers d’arbres et des analyses en laboratoire très exigeantes. C’est dans ce contexte que la spectroscopie proche infrarouge a été évaluée, comme technologie rapide et non destructive, pour mesurer les propriétés physiques et mécaniques du bois. Dans un premier temps, nous avons évalué la variabilité écogéographique des propriétés du bois de l’épinette noire pour les deux principales végétations potentielles de la forêt boréale aménagée du Québec (chapitre 1). Nous avons observé que le bois poussant dans les peuplements purs d’épinettes noires avait des fibres matures plus longues, un bois significativement plus dense et de meilleures caractéristiques mécaniques que le bois poussant dans des peuplements mélangés avec le sapin baumier. Une approche de modélisation par saut d’échelle, basée sur des mesures de cernes provenant de 3350 placettes d’inventaire, a permis d’améliorer la performance de tous les modèles, en expliquant, à l’échelle du peuplement, 47%, 57%, 63% et 63% de la variabilité de la densité du bois, du module d’élasticité, de l’angle des microfibrilles, et de la longueur des fibres matures, avec des erreurs quadratiques moyennes, de 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° et 0.06 mm respectivement. Nous avons ensuite évalué le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge pour mesurer les propriétés du bois de l’épinette noire (chapitre 2). De bonnes et d’excellentes statistiques de calibration (R², rapport de la performance à l'écart) ont été obtenues pour la densité basale (0.85, 1.8), l’angle des microfibrilles (0.79, 2.2), et le module d’élasticité (0.88, 2.9). Une régression segmentée a également été appliquée au profil radial de l’angle des microfibrilles afin de déterminer l’âge de transition du bois juvénile au bois mature. Les valeurs obtenues avec SilviScan ont été comparées à celles obtenues par spectroscopie. L’âge moyen de transition (23 ans ± 7 ans) a été légèrement sous-estimé, par spectroscopie proche infrarouge, avec une erreur de prédiction moyenne de −2.2 ± 6.3 ans et des intervalles de confiance à 95% de −14.6 et 10.1. Ces résultats suggèrent que l’âge de transition du bois juvénile au bois mature peut également être prédit par spectroscopie proche infrarouge. Finalement, la spectroscopie proche infrarouge a été utilisée pour évaluer la variabilité régionale de la densité basale et de la rigidité du bois des principales essences boréales du Québec (épinette noire, sapin baumier, pin gris, bouleau à papier et peuplier faux-tremble) (chapitre 3). Un système automatisé a été développé à cette fin et calibré à partir de données SilviScan. La densité basale et la rigidité du bois ont été estimées sur 30159 carottes de bois provenant de 10573 placettes d’inventaire. Les observations de densité et de rigidité étaient spatialement autocorrélées sur de plus longues distances chez les feuillus que chez les résineux. Un gradient latitudinal uniforme relié au climat était apparent pour le bouleau à papier et le peuplier faux-tremble. La distribution spatiale de ces mêmes propriétés n’était pas uniforme chez les résineux, suggérant une adaptabilité environnementale plus restreinte en comparaison aux essences feuillues étudiées. Cette thèse présente de grandes avancées dans le développement d’une méthode d’inventaire de la qualité de la fibre au Québec. La variabilité régionale de la densité et de la rigidité du bois est maintenant connue pour les principales essences boréales du Québec. Les prochains travaux porteront sur l’estimation de ces propriétés à l’échelle du peuplement forestier. / The value of forest products from softwood stands depends on stems volume and taper, internal defects, but also on physical and mechanical wood properties, especially stiffness, since softwood lumber is primarily used for structural purposes. The lumber stiffness is evaluated in sawmills through visual or mechanical gradings. In forest, this knowledge does not exist and it is not possible to locate the regions or the forest stands with a high lumber stiffness, neither to evaluate the value of forest products and the economic profitability of forest management scenarios considering this key attribute. This lack of knowledge is mainly due to substantial investments associated with an inventory of wood fibre quality, which involves the sampling of thousands of trees and very demanding laboratory tests. It is in this context that the near-infrared spectroscopy was evaluated as a rapid, non-destructive method for estimating physical and mechanical wood properties. Ecogeographic variation in black spruce clear wood properties was first investigated for the two main vegetation types of the managed boreal forest of the province of Quebec (chapter 1). Wood growing in pure black spruce stands had longer mature fibers, a significantly denser wood with better mechanical characteristics than the wood growing in stands mixed with balsam fir. A scaling-up modeling approach, based on ring data from 3,350 inventory plots, has improved the performance of all models, explaining, at the stand level, 47%, 57%, 63% and 63% of variance in wood density, modulus of elasticity, microfibril angle and mature fiber length with estimated root mean square errors of 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° and 0.06 mm respectively. The potential of near-infrared spectroscopy to determine the transition from juvenile to mature wood in black spruce was then assessed (chapter 2). Good to excellent calibration statistics (R², ratio of performance to deviation) were obtained for basic density (0.85, 1.8), microfibril angle (0.79, 2.2), and modulus of elasticity (0.88, 2.9). Two-segment linear regressions were applied to microfibril angle profiles to determine the transition age. The values obtained using SilviScan data were compared with those obtained using near-infrared spectroscopy predicted data. The average transition age (23 years ± 7 years) was slightly underestimated by near-infrared spectroscopy with a mean prediction error (and 95% limits of agreement) of -2.2 ± 6.3 years (-14.6/10.1). These results suggest that the transition age from juvenile to mature wood could be predicted by near-infrared spectroscopy. Finally, the near-infrared spectroscopy was used for estimating the regional variation in wood density and stiffness for the main boreal species of Quebec (black spruce, balsam fir, jack pine, paper birch, trembling aspen) (chapter 3). An automated near-infrared system was developed for this purpose and calibrated using SilviScan data. Basic density and wood stiffness were estimated on 30,159 increment cores from 10,573 inventory plots. The observations in wood density and stiffness were spatially autocorrelated on longer distances in hardwoods than softwoods. A uniform latitudinal gradient related to climate was observed in paper birch and trembling aspen. Conversely, spatial distribution in wood density and modulus of elasticity was not uniform in softwoods, suggesting a more limited environmental adaptability in comparison to the hardwood species studied. This thesis has made major advances in the development of a method for inventorying wood fibre quality in Quebec. Regional variation in wood density and stiffness is now known for the main boreal species of Quebec. Future work will focus on estimating these properties at the forest stand level.

L’emballage joue un rôle important dans l’industrie alimentaire afin de maintenir la qualité des produits le plus longtemps possible. Les films de polymère sont largement utilisés dans l’emballage alimentaire et sont attrayants pour leurs propriétés exceptionnelles. Puisque les polymères à base de pétrole apportent des préoccupations environnementales, les polymères biodégradables tel que le PLA sont étudiés plus intensivement depuis quelques années considérant leurs propriétés écologiques. L’application de films renforcés permet, comparativement aux films simples, d’atteindre des fonctions spécifiques et d’améliorer leurs propriétés tel que l’étanchéité aux gaz. Toutefois, puisque la structure de ces films est plus complexe, le contrôle de qualité de ces derniers est plus difficile. Dans l’industrie, des méthodes hors-ligne sont très souvent utilisées pour effectuer le contrôle de qualité des films produits. Le contrôle est nécessaire puisque la variabilité de la matière première ainsi que le changement des conditions opératoires amènent des modifications qui changent considérablement les propriétés du film. Par conséquent, une inspection en temps réel ainsi qu’un contrôle des films de polymère est nécessaire sur la ligne de production afin d’obtenir un contrôle de qualité s’approchant de l’analyse en temps réel. Un système d’imagerie proche infrarouge (NIR) rapide et non-destructif est proposé pour caractériser les films biodégradables d’acide polylactique contenant du talc produits par extrusion-soufflage et utilisés pour l’emballage. Le but ultime est d’utiliser le système pour faire un contrôle de qualité sur la ligne d’extrusion ainsi qu’après le post-traitement termique, soit le recuit. Un ensemble d’échantillon de film de PLA contenant différentes concentrations en talc ont été fabriqués. Ces derniers ont ensuite été soumis à différentes conditions de recuit. Des images NIR ont été collectées avant la caractérisation des propriétés physiques et mécaniques ainsi que l’étanchéité aux gaz. Des techniques d’imagerie multivariées ont été appliquées aux images hyperspectrales. Celles-ci ont montré que la quantité de talc peut être déterminée et que l’information du spectre NIR permet de prédire les propriétés du film. Dans tous les cas, la méthode proposée permet de déterminer les variations dans les propriétés du film avec une bonne précision. / Food packaging plays a great role in the food industry to maintain food products quality as long as possible. Polymer films are widely used in food packaging and also attract attention because of their outstanding advantages. Since petroleum-based polymers are known to cause environmental concerns, biodegradable polymers like PLA were studied more intensively in recent years due to their environmentally friendly properties. The application of reinforced films exceeds simple ones in achieving specific functions and enhancing their properties such as barrier properties. Since the films structures are more complex, quality control is more challenging. In industry, off-line methods are vastly used for quality control of the produced films while variability in raw materials and processing conditions substantially change the film specifications. Consequently, real-time inspection and monitoring of polymer films is needed on the production line to achieve a real-time quality control of the films. A fast and non-invasive near-infrared (NIR) imaging system is proposed to characterize biodegradable polylactic acid (PLA) films containing talc, and produced by extrusion film-blowing for packaging applications. The ultimate goal is to use the system for quality control on the extrusion line, and after a post-processing via thermal treatment (annealing). A set of PLA-talc films with varying talc contents were produced and submitted to annealing under different conditions. NIR images of the films were collected after which the samples were characterized for their physical, mechanical, and gas barrier properties. Multivariate imaging techniques were then applied to the hyperspectral images. It is shown that various talc loadings can be distinguished, and the information contained in the NIR spectra allows predicting the film properties. In all cases, the proposed approach was able to track the variation in film properties with good accuracy

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux d'électrodes positives pour batteries au lithium. Nos recherches se sont principalement orientées vers les matériaux de type phosphates de métaux de transition, et notamment vers la famille des tavorites de composition (Li,H)FePO4(OH), qui présente une structure tridimensionnelle comportant plusieurs types de tunnels propices à l'insertion d'ions lithium. La structure du matériau LiFePO4(OH) a ainsi été parfaitement résolue, de même que celle du matériau FePO4.H2O, qui est un nouveau phosphate de fer (III) découvert au cours de ces travaux. Ces deux matériaux, ainsi que ceux obtenus par traitement thermique de la phase FePO4.H2O, ont été caractérisés à l'aide de différentes techniques d'analyse physico-chimiques. Leur comportement électrochimique vis-à-vis de l'intercalation / désintercalation du lithium a été étudié, ainsi que les mécanismes redox et structuraux associés mis en jeu.

Dans cette thèse nous avons étudié différents aspects de l'interaction entre un atome et une surface diélectrique. Nous avons notamment recherché expérimentalement des situations où l'interaction de van der Waals à longue portée varie avec la population thermique de photons du vide, telle qu'imposée par un équilibre avec l'environnement. Une variation avec la température est prévue lorsqu'il y a un couplage virtuel résonnant en champ proche entre l'émission thermique de la surface (dans l'IR) et une absorption atomique. Notre recherche a porté sur l'interaction entre Cs(8P) et une surface de CaF2 en utilisant la spectroscopie de réflexion sélective. Jusqu'à présent, les valeurs expérimentales du coefficient C3 de l'interaction de van der Waals sont en contradiction avec les prédictions théoriques. Nous avons pourtant raffiné les prédictions théoriques en introduisant dans les calculs la dépendance en température de la constante diélectrique, à partir de nouvelles mesures de la réflectance sur des surfaces de saphir, CaF2 et BaF2 effectués à différentes températures. Nous avons, en outre, observé, sur une expérience auxiliaire d'absorption saturée, des raies inédites autour de la transition 6S1/2→8P, que nous avons attribuées à des dimères spécifiquement formés par nos faisceaux lasers. Ces raies apparaissent pour des densités de vapeur inhabituellement faibles. A un régime de plus faible distance de l'interaction atome-surface, où le potentiel combine attraction van der Waals et répulsion au voisinage immédiat de la surface, nous avons analysé la possibilité d'observer des oscillations de Bloch, en considérant le cas d'un atome d'Helium adsorbé sur une surface de LiF et soumis à une force externe.

Résumé du travail L’étude des modifications de surfaces, et plus particulièrement des matériaux d’électrodes est un domaine en plein essor. Les modifications d’électrodes par voie organique ont des applications potentielles dans des domaines aussi variés que l’inhibition de la corrosion, l’électronique moléculaire, l’optoélectronique ou encore les biosenseurs. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’électrode d’Au (111) modifiée par du 2-mercaptobenzimidazole. Dans un premier temps, l’adsorption du MBI sur électrode d’Au (111) sous contrôle du potentiel a été examinée par des mesures de capacité, de voltampérométrie cyclique, de chronocoulométrie et de spectroscopie SNIFTIR in situ. Les mesures de capacité révèlent qu’en milieu neutre, la molécule de MBI s’adsorbe en un film compact à des potentiels supérieurs à -0,3 V (vs. ECS). En deçà de cette valeur, le film se dilue progressivement lorsque le potentiel est rendu plus négatif, jusqu’à une valeur de -0,9 V où les molécules de MBI sont totalement désorbées de la surface. La morphologie des voltampérogrammes subit des variations significatives au cours du temps. Ces changements montrent que l’adsorption du MBI s’accompagne d’une levée de reconstruction de la surface, qui passe d’une structure initiale (√3 x 22) à une structure (1 x 1). Une estimation de la quantité de MBI adsorbée est obtenue par intégration des courbes de densité de courant. La courbe de densité de charge interfaciale a été extraite des mesures de chronocoulométrie. Cette courbe de densité de charge fournit des informations quant à l’évolution de l’excès superficiel en fonction du potentiel. La qualité des spectres infrarouges relevés in situ nous a permis d’effectuer des analyses qualitatives et quantitatives. Celles-ci montrent une bonne corrélation avec les résultats électrochimiques et apportent une signature moléculaire du film adsorbé et des espèces issues de sa désorption. Des calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) ont permis une bonne interprétation des spectres infrarouges du MBI et de certains de ses dérivés. En outre, nous avons pu déterminer l’orientation des molécules à la surface, et montré que celle-ci varie peu avec le potentiel. Dans un second temps, nous nous sommes focalisés sur les propriétés de la monocouche auto-assemblée de MBI sur électrode d’Au (111), déterminées par voltampérométrie cyclique et spectroscopie infrarouge in situ. La monocouche est stable lorsque le potentiel est maintenu dans un domaine d’environ 800 mV. La monocouche auto-assemblée de MBI subit un processus de désorption réductive, influencé par le temps d’immersion de l’électrode dans la solution de surfactant ainsi que par le pH du milieu. Deux mécanismes de désorption réductive sont proposés, l’un valable en milieu neutre et basique, l’autre en milieu acide. Les résultats des mesures de spectroscopie infrarouge in situ apportent une preuve moléculaire de la validité des mécanismes proposés sur base des résultats électrochimiques. Un rapide examen des potentialités de cette monocouche a été réalisé à l’aide de réactions sondes. / Abstract Studies on surface modifications, and particularly of electrode material, are a growing field of interest. Organic modifications of electrode surfaces have potential applications in domains such as corrosion inhibition, molecular electronics, optoelectronics or biosensors. In the present work, we focussed on the modification of Au(111) electrodes by 2-mercaptobenzimidazole (MBI). In the first part, the adsorption, under potential control, of the MBI molecule onto the Au(111) electrode was studied by means of capacitance measurements, cyclic voltammetry, chronocoulometry and in-situ SNIFTIR spectroscopy. Capacitance measurements indicate that in neutral solution, the MBI molecule is adsorbed as a compact film at potentials higher than -0.3 V (vs. SCE). Below this value, the film becomes progressively less dense when the potential is made more negative, until a value of -0.9 V where MBI molecules are totally desorbed from the surface. The shape of the voltammograms evolves significantly with time. These changes show that a lift of the surface reconstruction occurs concomitantly to the adsorption of MBI. The initial (√3 x 22) reconstructed structure is lifted to the (1 x 1) unreconstructed one. The amount of adsorbed MBI is estimated by integration of the current density curves. The interfacial charge density curve was obtained by chronocoulometry measurements. This curve provides useful data regarding the evolution of the surface concentration with the potential. The quality of the infrared spectra obtained in situ allowed us to perform quantitative as well as qualitative analyses of the results. These analyses show a good correlation with the electrochemical results and provide molecular information on the adsorbed layer and on the species formed during the desorption process. Density Functional Theory (DFT) calculations were helpful in the interpretation of the infrared spectra of MBI and some of its derivatives. Additionally, we were able to determine the orientation of the molecules on the surface, and demonstrated that this orientation is slightly affected by the potential. In the second part of the work, we investigated the properties of the self-assembled monolayer of MBI on Au(111) electrode by cyclic voltammetry and in situ infrared spectroscopy. The monolayer is stable within an 800 mV potential range. The self-assembled monolayer undergoes a reductive desorption process, which is affected by the pH of the medium and by the immersion time of the electrode into the surfactant solution. Two mechanisms were proposed for the reductive desorption, one being valid in neutral and basic media, the other in acidic conditions. The in situ infrared spectroscopic results provide molecular evidences supporting the mechanisms proposed on an electrochemical basis. An exploratory examination of the potentialities of the monolayer is made by means of electrochemical probe reactions.