Des fibres optiques en verres de chalcogénure transmettant dans le moyen infrarouge (MIR) ont été développées par le laboratoire Verres et Céramiques de l’université de Rennes 1. Des travaux ont ensuite montré les potentialités de ces fibres comme outil diagnostic pour la spectroscopie MIR appliquée aux biofluides. Le spectre moyen infrarouge d’un échantillon complexe est le reflet de sa composition moléculaire qui, lorsque celui-ci est un biofluide, peut être assimilé à une image métabolique instantanée d’un individu. Cette technique constitue donc un outil intéressant pour le diagnostic médical. La société Diafir fut crée à la suite du programme ANR émergence FIR-MED pour développer les potentialités de la spectroscopie par fibre optique. L’objectif de l’entreprise est de développer un système composé d’un spectromètre spécifiquement adapté au capteur à fibre optique et d’un algorithme associé pour une réponse diagnostique ne nécessitant pas de connaissance particulière en spectroscopie infrarouge. Dans le cadre de ces travaux de thèse associant l’IRDL et la société Diafir, des projets variés d’applications médicales de la technologie ont été abordés avec pour objectif de développer une méthodologie d’analyse des spectres MIR. Pour cela, il a été nécessaire dans un premier temps de caractériser le signal obtenu à partir des capteurs et d’optimiser et valider des protocoles de mesure applicables aux différents biofluides de manière à réduire au mieux les sources de variabilité d’ordre physique et environnemental. La construction d’un diagnostic médical à partir de spectres infrarouge qui sont des données en grande dimension implique de sélectionner un petit nombre de variables spectrales explicatives. Des méthodes de sélection de variables ont été sélectionnées afin d’éviter l’effet « boite noire » en établissant le lien avec les fonctions biochimiques impactées par les pathologies. Cette approche spectrale infrarouge a notamment permis de mettre en évidence, au cours du développement de pathologies, l’existence de transitions a priori non détectées par les dosages biochimiques classiques. / Chalcogenide glass optical fibres exhibiting unique properties of mid-infrared (MIR) transparency have been developed by the Laboratoire Verres et Céramiques of Rennes 1 University. Our studies investigate the potential of such fibres as a tool for MIR spectroscopy applied to biofluids based diagnostic. The MIR spectrum of complex samples features its molecular composition which, when a biofluid is considered, can be assimilate to an instant metabolic imaging of an individual. The Diafir Company was created following the ANR emergence FIR-MED program to develop the potential of optical fibre biomedical spectroscopy. The company's goal is to develop a system that is composed of the optical fibre sensor, a spectrometer specifically designed to these sensors and an associated algorithm for a diagnostic response without specific knowledge of infrared spectroscopy. As part of this thesis work, linking the IRDL and the Diafir Company, various projects of biomedical applications were driven with the aim of developing a MIR spectra analysis methodology. Accordingly, it was necessary initially to characterize the signal obtained from the sensors and to optimize and validate robust measurement protocols for each biofluid tested with the aim to reduce the physical and environmental sources of variability. The medical diagnosis construction from infrared spectra, that are high dimensional data, involves selecting from the whole spectral data set a small number of explanatory variables. Purposely, particular variables selection algorithms were selected to avoid the effect of "black box" by establishing the link with the biochemical functions affected by the disease. This infrared spectral approach allowed identifying previously unrevealed transitions in the time course of pathologies which were not detected from conventional biochemical markers

La planète Mars a connu une période où l'eau liquide était durablement stable. Outre les vestiges morphologiques d'une activité hydrologique en surface, l'interaction chimique de l'eau avec la croûte basaltique s'est traduite par la formation d'argiles et de sels hydratés en surface et en profondeur. Ces minéraux hydratés ont été détectés à la surface de Mars en 2004 grâce à l'instrument OMEGA, l'imageur hyperspectral infrarouge proche embarqué sur la sonde européenne Mars Express. Leur étude permet de reconstruire l'histoire de l'activité aqueuse sur Mars et de caractériser une période ancienne où l'environnement a pu être favorable à l'apparition d'une chimie pré-biotique. Ce travail de thèse s'intéresse aux environnements aqueux de Mars en couplant les données minéralogiques des imageurs hyperspectraux embarqués OMEGA/Mars Express et CRISM/Mars Reconnaissance Orbiter avec la morphologie. De nouveaux outils de traitement et d'analyse des données sont développés et ont permis la détection et la caractérisation spectrale de plus d'un millier de dépôts de minéraux hydratés sur Mars, fournissant une vue d'ensemble de l'altération. Celle-ci a eu lieu principalement dans la première partie du Noachien et a surtout formé des phyllosilicates ferro-magnésiens de la famille des vermiculites et smectites. Une importante diversité minérale est par ailleurs constatée avec une dizaine de familles minérales différentes, traçants des conditions géo-chimiques variées. Placés dans leur contexte géologique, certaines détections permettent de proposer l'existence passée d'un système hydrologique sur l'ensemble de la planète qui a donné naissance à un cycle des argiles similaire au cycle terrestre. Il apparait par ailleurs que les cratères d'impact sont le contexte privilégié des minéraux hydratés, mais le lien entre ces derniers et les processus d'impact demeure ambigu. La découverte d'un cycle des argiles est compatible avec l'hypothèse d'une planète potentiellement habitable au Noachien mais qui devra être vérifiée par l'exploration in-situ. / The planet Mars has experienced an era during which water was stable in its liquid state. In addition to morphological evidence for aqueous activity, the chemical interaction of water with the basaltic crust has led to the formation of hydrated clays and salts both on the surface and at depth. These hydrated minerals were first detected on the surface of Mars in 2004 with the OMEGA near infrared imaging spectrometer, onboard European probe Mars Express. Their study allows us to piece together the aqueous activity on Mars and to better understand an early era when the environment may have been conducive to prebiotic chemistry. This work focuses on the aqueous environments on Mars by coupling mineralogy data from the spaceborne imaging spectrometers OMEGA/Mars Express and CRISM/Mars Reconnaissance Orbiter to the surface morphology. The development of new data processing and analysis tools have led to the detection and spectral inquiry of over a thousand hydrated mineral exposures on Mars, thus providing a broad view of the aqueous alteration. The latter mostly took place during the Noachian era and formed primarily iron-magnesium bearing phyllosilicates of the vermiculite and smectite groups. In addition, great mineral diversity is found, implying varied geo-chemical formation conditions. Placed in their geological context, these detections show the likely existence of a past hydrological cycle on Mars which sustained a clay cycle similar to Earth's. It was also found that impact craters are the most common morphological context for these minerals, although the link between them remains unclear. The discovery of a clay cycle on Mars bodes well for the past habitability potential on Mars, but will need to be verified through in-situ exploration.

Crèmes, shampooings, savons, gels douche, ces produits cosmétiques quotidiennement utilisés, ont en commun la présence d'une matière première essentielle à leur formulation, à savoir le tensioactif ou émulsionnant. Ces molécules sont donc fréquemment en contact avec la peau. En effet, de par sa structure amphiphile particulière, le tensioactif aide à la stabilisation des émulsions, permet la formation de mousse et apporte les propriétés détergentes des produits cosmétiques nettoyants, en solubilisant les corps gras présents en surface. Ces molécules peuvent également interagir avec les composants de la peau. Une des premières preuves évidentes de l'interaction des tensioactifs avec la peau est l'observation des signes cliniques suite à l'exposition prolongée ou chronique à des formules riches en tensioactifs. Ces molécules sont maintenant connues pour engendrer des dermatites de contact d'irritation et font l'objet d'un véritable problème de santé publique concernant les maladies professionnelles aux détergents. Cependant, devant la multitude de tensioactifs présents sur le marché, les mécanismes d'action des tensioactifs sur la peau sont encore mal connus, surtout pour les tensioactifs non ioniques, très utilisés dans les produits de soin et souvent considérés comme non toxiques. Le sodium lauryl sulfate, tensioactif anionique reste à ce jour, la molécule modèle couramment étudiée. La toxicité cutanée est le plus souvent reliée à l'interaction du tensioactif avec les protéines, molécules chargées. De ce fait, les tensioactifs ioniques sont considérés comme étant les plus toxiques pour la peau. De plus, la forme monomérique du tensioactif est décrite comme l'entité responsable de la toxicité cutanée, s'insérant plus facilement dans la bicouche lipidique et pouvant ainsi pénétrer plus facilement dans la peau que sous la forme de micelles. La toxicité du tensioactif est donc également reliée à sa concentration micellaire critique. L'objectif de ce projet de recherche était d'approfondir les connaissances sur différentes propriétés physicochimiques de nombreuses classes de tensioactifs, afin de mieux comprendre leurs interactions ainsi que leurs effets sur la peau. Plusieurs niveaux d'études ont été développés. Après une analyse physicochimique des tensioactifs détaillée, des mesures in vitro ont permis d'évaluer l'effet du tensioactif sur la toxicité cutanée. L'étude portant sur la fonction barrière de la peau (propriétés de surface/détergence, organisation de la matrice lipidique et évaluation de l'extraction lipidique) a été menée via des expérimentations ex vivo. Nos études ont montré une toxicité notable de certains tensioactifs non ioniques et a contrario certains tensioactifs ioniques se sont révélés parfaitement bien tolérés. Les paramètres soulignés dans la littérature tels que la CMC et la charge des tensioactifs ont été remis en question. Plusieurs explications ont été mises en avant considérant l'organisation du tensioactif dans l'eau et son comportement vis-a-vis de la fonction barrière cutanée apportant ainsi de nouvelles pistes pour une meilleure compréhension de l'effet du tensioactif sur la peau. De plus La toxicité des tensioactifs a pu être reliée à un des trois niveaux de perturbation de la barrière cutanée: la désorganisation de la matrice lipidique / Creams, shampoos, soaps, shower gels, these cosmetics daily used, have in common the presence of a raw material essential to their formulation, namely the surfactant or emulsifier. These molecules are therefore frequently in contact with the skin. Indeed, because of its particular amphiphilic structure, the surfactant helps the stabilization of emulsions, allows the formation of foam and provides the detergent properties of cleansing cosmetic products, by solubilizing the fatty substances present on the surface. These molecules can also interact with the components of the skin. One of the first obvious evidence of the interaction of surfactants with the skin is the observation of clinical signs following prolonged or chronic exposure to surfactant-rich formulas. These molecules are now known to cause irritant contact dermatitis and are the subject of a real public health problem regarding professional detergent diseases. However, considering the multitude of surfactants on the market, the mechanisms of action of surfactants on the skin are still poorly known, especially for nonionic surfactants, widely used in skincare products and often considered non-toxic. Sodium lauryl sulfate, anionic surfactant remains to this day, the model molecule currently studied. The cutaneous toxicity is most often related to the interaction of the surfactant with the proteins, charged molecules. As a result, ionic surfactants are considered to be the most toxic to the skin. In addition, the monomeric form of the surfactant is described as the entity responsible for cutaneous toxicity, fitting more easily into the lipid bilayer and thus able to penetrate the skin more easily than in the form of micelles. The toxicity of the surfactant is therefore also related to its critical micelle concentration. . The objective of this research project was to expand knowledge on different physicochemical properties of many classes of surfactants, to better understand their interactions and their effects on the skin. Several levels of studies have been developed. After detailed physicochemical analysis of the surfactants, in vitro measurements were used to evaluate the effect of the surfactant on skin toxicity. The study on the skin barrier function (surface properties / detergency, lipid matrix organization and evaluation of lipid extraction) was conducted via ex vivo experiments. Our studies have shown significant toxicity of some nonionic surfactants and conversely some ionic surfactants have been found to be perfectly well tolerated. Parameters highlighted in the literature such as CMC and surfactant charges have been questioned. Several explanations were put forward considering the organization of the surfactant in the water and its behavior on the skin barrier function thus bringing new tracks for a better understanding of the effect of the surfactant on the skin. In addition, the toxicity of the surfactants could be related to one of the three levels of disruption of the cutaneous barrier: the disorganization of the lipid matrix

Le débat sur l'origine du comportement anormal de l'eau (H2O), que peut être dû, au niveau moléculaire, à sa capacité à former des réseaux de liaisons hydrogène, est encore ouvert. Les anomalies de le H2O sont fortement accentuées dans la région surfondue du diagramme de phase (PD). Beaucoup de simulations numérique ont expliqué cet comportement en suggérant l'existence d'une transition de phase liquide-liquide (LLPT) entre deux phases de densité différente: Low Density Liquid et High Density Liquid, séparées par une ligne de coexistence terminant sur un point critique (CP) (hypothèse de le 2°point critique). Malheureusement, ce CP, s'il existe, réside dans le No man's land, une région du PD difficile à explorer expérimentalement à cause de la cristallisation spontanée. Confiner H2O dans des géométries nanométrique peut abaisser la température de congélation, en ouvrant la possibilité d'entrer dans le No man's land et d'enquêter sur l'existence de LLPT. Nous avons étudié H2O confiné dans une matrice mésoporeuse (MCM-41), en mettant l'accent sur l'existence d'un minimum de densité (DM) à 210 K, qui devrait être directement lié au second CP supposé. Nos expériences ont exploité la spectroscopie infrarouge, la diffusion de neutrons à petit angle et la diffraction de neutrons sur une large gamme de Q. L'interprétation de nos résultats a conduit à conclure que dans le centre du pore de MCM-41 se forme une hétérophase solide, à une température proche a quelle prétendu par d'autres auteurs pour le DM. Donc l'approche expérimentale commune est faux et ce qui a été précédemment interprété comme un signe de DM à 210 K est en réalité dû au début d'un événement de cristallisation. / Le débat sur l'origine du comportement anormal de l'eau (H2O), qui peut être dû, au niveau moléculaire, à sa capacité à former des réseaux de liaisons hydrogène, est encore ouvert. Les anomalies du H2O sont fortement accentuées dans la région surfondue du diagramme de phase (PD). Beaucoup de simulations numérique ont expliqué cet comportement en suggérant l'existence d'une transition de phase liquide-liquide (LLPT) entre deux phases de densité différente: Low Density Liquid et High Density Liquid, séparées par une ligne de coexistence terminant sur un point critique (CP) (hypothèse de le 2°point critique). Malheureusement, ce CP, s'il existe, réside dans le No man's land, une région du PD difficile à explorer expérimentalement à cause de la cristallisation spontanée. Confiner H2O dans des géométries nanométrique peut abaisser la température de congélation, en ouvrant la possibilité d'entrer dans le No man's land et d'enquêter sur l'existence de LLPT. Nous avons étudié H2O confiné dans une matrice mésoporeuse (MCM-41), en mettant l'accent sur l'existence d'un minimum de densité (DM) à 210 K, qui devrait être directement lié au second CP supposé. Nos expériences ont exploité la spectroscopie infrarouge, la diffusion de neutrons à petit angle et la diffraction de neutrons sur une large gamme de Q. L'interprétation de nos résultats a conduit à conclure que dans le centre du pore de MCM-41 se forme une hétérophase solide, à une température proche a quelle prétendu par d'autres auteurs pour le DM. Donc l'approche expérimentale commune est faux et ce qui a été précédemment interprété comme un signe de DM à 210 K est en réalité dû au début d'un événement de cristallisation.

L’objectif de ce travail est de caractériser l’interaction entre le Lanréotide – un octapeptide dicationique – et des membranes composées de lipides. Bien que ce peptide soit très soluble, il possède des propriétés d’autoassemblage. Au-delà d’une concentration critique – qui est sensible à la température et à la force ionique – ce peptide s’auto-assemble en nanotubes dont la structure a été résolue par l’équipe. Ce travail de thèse comporte deux volets : d’une part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes anioniques, d’autre part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes neutres.Nous adoptons une approche structurale afin de caractériser les mélanges membrane-peptide : diffusion de rayons X, spectroscopie infrarouge (ATR-FTIR), microscopie électronique (coloration négative et cryofracture) ; ainsi qu’une approche quantitative (ultrafiltration et dosage) afin de déterminer la stœchiométrie des interactions. En présence de lipides anioniques, le Lanréotide interagit en totalité avec les membranes jusqu’à les saturer. Cette interaction, qui n’est pas abolie à forte force ionique (2M de NaCl ou de phosphate), provoque un autoassemblage du peptide à la surface des membranes. Ce phénomène génère des autoassemblages mixtes constitués d’un empilement de bicouches de peptide prises en sandwich entre des bicouches de lipides. Ces empilements s’enroulent selon une spirale d’Archimède, c’est-à-dire une spirale régulière dont le pas est constant. Dans ces assemblages mixtes le peptide est organisé dans un nouveau mode d’assemblage dont la structure est ici résolue.Dans le cas des mélanges membranes neutre-Lanréotide, un coefficient de partage du peptide entre l’eau et les lipides est mis en évidence. Ceci suggère que dans ces conditions le peptide peut traverser les membranes. Enfin l’interaction du Lanréotide avec ces membranes provoque une diminution de sa concentration critique d’assemblage. / The aim of this work is to characterize the interaction between the Lanreotide – a dicationic octapeptide – and membranes composed of lipids. Even if the peptide is very soluble, it has self-assembling properties. Above the critical concentration – which is sensitive to both temperature and ionic strength – the peptide self-assembles into nanotubes whose structure has been solved by the team. The present work is divided into two parts: on one side the study of the interaction of the Lanreotide with anionic membranes, on the other one the study of the interaction of the Lanreotide with neutral membranes.We adopted a structural approach to characterize the membrane-peptide mixture: X-ray scattering, vibrational spectroscopy (ATR-FTIR), electron microscopy (negative staining and freeze-fracture) ; we also used a quantitative approach (ultrafiltration and peptide quantification) in order to determine the stoichiometry of the interaction. In the presence of anionic lipids, the peptide interacts with membranes until its saturation. This interaction, which is not abolished at high ionic strength (2M NaCl or phosphate), induces the self-assembly of the peptide at the surface of the membrane. This phenomenon generates mixed self-assemblies composed of a stack of peptide bilayers sandwiched by lipids bilayers. These stacks wrap into an Archimedian spiral which is a regular spiral with a constant step. In these mixed assemblies, the peptide is organized in a new architecture compared to the self-assemble nanotubes. This new structure has been characterized and solved in this study.In the case of neutral membrane-Lanreotide mixture, the peptide partitions between water and lipids. This observation suggests that in this condition the peptide is able to cross the membranes. The peptide-membrane interaction also decreases the critical concentration of the peptide.

La supraconductivité est intensément étudiée en physique de la matière condensée pour ses éventuelles applications. En effet, ce phénomène est caractérisé macroscopiquement par des propriétés remarquables, mais pour le moment, son exploitation est limitée par la nécessité de refroidir ces matériaux à des températures cryogéniques. Après la découverte de H₃S, dont la température de transition est de 200 K, un renouveau d’intérêt est apparu pour les matériaux supraconducteurs conventionnels. Pour ce composé, le couplage entre électrons et phonons est à l’origine de l’appariement électronique, une condition nécessaire à la supraconductivité. L’énergie associée à ce couplage se trouve généralement dans la gamme des infrarouges lointains, voire des THz, faisant de la spectroscopie infrarouge un outil idéal pour étudier ce mécanisme. Cette thèse présente les études de deux matériaux supraconducteurs dans des conditions expérimentales extrêmes de pression ou de température, permise grâce à la forte brillance du rayonnement synchrotron. Pour la phase supraconductrice H₃S à des pressions supérieures à 150 GPa, l’environnement en cellule à enclumes de diamant exclut la plupart des techniques pour déterminer la nature du mécanisme mais les études optiques restent adaptées. Les résultats spectroscopiques présentés ici démontrent un fort couplage entre électrons et phonons, qui explique l’origine d’une si haute température de transition. Des mesures complémentaires visant à caractériser NaCl sous pression sont également décrites car ce matériau est couramment utilisé comme transmetteur de pression dans les cellules `a haute pression, notamment pour le supraconducteur H₃S. La deuxième étude rapporte des résultats spectroscopiques dans le THz sur des couches nanométriques de Nb, dont les températures de transition supraconductrice sont de 4,5 K et 6,8 K. Ces mesures confirment que la nature conventionnelle du mécanisme subsiste au sein de ces films minces quasi-bidimensionnels. Pour ce travail, un ensemble instrumental permettant la mesure spectroscopique de matériaux jusqu’à des températures de 200 mK a été entièrement développé autour d’un cryostat à démagnétisation adiabatique. / Superconductivity is highly studied in condensed matter physics for its potential applications. Indeed, this phenomenon is macroscopically characterized by remarkable properties, but generally occurs in materials at cryogenic temperature thus limitating their exploitation. Recently, renewed interest has appeared for conventional superconducting materials with the discovery of H₃S, whose transition temperature is at 200 K. For this compound, the coupling between electrons and phonons is at the origin of the electronic pairing, a necessary condition for superconductivity. The associated energy for this coupling belongs to the far infrared range, even THz, making infrared spectroscopy an ideal tool to study the mechanism. This thesis presents the studies of two superconducting materials in extreme experimental conditions of pressure and temperature, allowed by the high brilliance of synchrotron radiation. For the superconducting phase H₃S under pressures superior to 150 GPa, the environment of diamond anvil cell excludes most of the techniques to determine the nature of the mechanism but the optical studies remain adapted. The spectroscopic results presented here demonstrate a strong coupling between electrons and phonons, which explains the origin of such a high transition temperature. Complementary measurements aiming at characterizing NaCl under pressure is also described because this material is often used as a pressure transmitting medium in high pressure cells, in particular for the superconducting H₃S. The second study reports spectroscopic results in the THz on nanometric layers of Nb, whose superconducting transition temperatures are 4,5 K and 6,8 K. These measurements confirm that the conventional nature of the mechanism subsists within these quasi-bidimensional thin films. For this work, an instrumental ensemble allowing the spectroscopic measurements of materials down to 200 mK has been entirely developed based on an adiabatic demagnetization cryostat.

La spectroscopie de dissociation par absorption de photons infrarouges (IRPD) permet d’obtenir les signatures vibrationnelles d’espèces chargées en phase gazeuse, telles que de petits peptides ou des ions hydratés dans des agrégats d’eau. L’attribution des modes de vibration pour établir une relation entre le spectre expérimental et une structure moléculaire est une tâche délicate et nécessite le recours à la modélisation moléculaire.Ce manuscrit présente un ensemble d’outils théoriques pour le calcul et l’attribution de spectres vibrationnels, basée principalement sur la dynamique moléculaire classique et le champ de forces polarisable AMOEBA, ainsi que son application à des ions gazeux de tailles diverses. Les ions hydratés dans des agrégats d’eau M(H2O)n (n allant de 6 à 100) sont caractérisés par une dynamique importante, et leur spectre expérimental ne peut pas être décrit par une seule structure. La signature des peptides évolue avec la température et les effets d’anharmonicité dynamique. Ils peuvent également être le siège de mécanismes de transfert de proton, présentant une signature vibrationnelle très caractéristique.La surface d’énergie potentielle de ces systèmes est explorée par la dynamique moléculaire classique en trajectoires individuelles ou avec échange de répliques, afin d’engendrer des structures énergétiquement stables. Pour les plus petits systèmes, les méthodes quantiques DFT et post-HF sont utilisées pour confirmer les structures de plus basse énergie, calculer leurs spectres IR statiques et proposer des attributions des modes de vibration. Pour les plus systèmes de plus grandes tailles, c’est-à-dire les ions dans des gouttes d’eau de plusieurs dizaines de molécules, la simulation des spectres IR à température finie est basée sur la transformée de Fourier de la fonction d’autocorrélation du moment dipolaire (DACF), calculée pour une trajectoire de dynamique moléculaire classique. Cette méthode n’offrant pas d’accès direct aux modes normaux de vibration, nous avons implémenté une méthode d’attribution dynamique, basée sur la Driven Molecular Dynamics (DMD) et couplée au DACF. La combinaison AMOEBA/DACF/DMD a été utilisée pour reproduire et attribuer le spectre du dipeptide Ace-Phe-Ala-NH2, et ceux d’ions hydratés dans des agrégats d’eau.Enfin, la signature vibrationnelle d’un transfert de proton ne peut être décrite, ni par des méthodes statiques quantiques, ni par la dynamique classique. Sa modélisation a nécessité le développement d’un modèle Empirical Valence Bond (EVB) à deux états, couplé au champ de forces polarisable AMOEBA. Le modèle EVB a été implémenté dans la suite logicielle Tinker. Il permet de reproduire le comportement dynamique du transfert de proton au sein de petits peptides et de diacides déprotonés, ainsi que la signature spectroscopique observée expérimentalement.Une partie importante des applications de ces développements concerne des ions simples hydratés dans des nano-gouttelettes, et en particulier l’ion sulfate de grande importance environnementale. Nous avons pu reproduire de façon satisfaisante, pour la première fois, les spectres d’agrégats contenant jusqu’à 100 molécules d’eau. Le principal contributeur à cette spectroscopie expérimentale est l’équipe d’E. Williams à l’université de Californie à Berkeley. Nous avons établi avec eux une collaboration pour compléter ce travail en modélisant les spectres IR d’ions sulfates hydratés [SO4(H2O)n=9-36]2-, dont ils ont obtenu les signatures expérimentales. / Spectroscopy dissociation by absorption of infrared photons (IRPD) provides vibrational signatures of charged species in the gas phase, such as small peptides or hydrated ions in water clusters. The vibrational normal modes assignment to establish a relationship between the experimental spectrum and molecular structure is a delicate task and requires the use of molecular modeling.This manuscript presents a set of theoretical tools for calculation and assignment of vibrational spectra, based mainly on classical molecular dynamics and polarizable AMOEBA force field, and its application to gaseous ions of various sizes. Hydrated ions in water clusters M(H2O)n (n in 6-100 range) are characterized by a dynamic behavior, and their experimental spectrum can not be described by a single structure. The signature of peptides changes with temperature and dynamic anharmonicity effects. They can also be the site of proton transfer mechanisms, with a very characteristic vibrational signature.The potential energy surface of these systems is explored by classical molecular dynamics in individual trajectories or replica exchange to generate energetically stable structures. For smaller systems, quantum methods, as DFT and post-HF, are used to confirm the lowest energy structures, calculate their static IR and propose normal modes assignments. For larger systems, i.e ions in water drops of several tens of molecules, the simulation of IR spectra at finite temperature is based on the Fourier transform of the autocorrelation function of the dipole moment (DACF), calculated during a classical molecular dynamics trajectory. As this method does not allow direct access to the vibrational normal modes, we implemented a method of dynamic assigments, based on the Driven Molecular Dynamics (DMD) and coupled to the DACF. The combination AMOEBA /DACF / DMD was used to reproduce and assign the spectrum of the dipeptide Ace-Phe-Ala-NH2, and those of hydrated ions in water clusters.Finally, the vibrational signature of a proton transfer can not be described by quantum static methods or by classical dynamics. Its modeling required the development of a two states Empirical Valence Bond Model (EVB), coupled with AMOEBA polarizable force field. The two states EVB model was implemented in the software TINKER. It can reproduce the dynamic behavior of proton transfer in small peptides and deprotonated acids, as well as the spectroscopic signatures observed experimentally.An important part of the applications of these developments relates simple hydrated ions in nano-droplets, and in particular the sulfate ion of great environmental importance. We were able to reproduce satisfactorily, for the first time, the spectra of clusters containing up to 100 water molecules. The main contributor to this experimental spectroscopy is the team of E. Williams from the University of California of Berkeley. We have established cooperation with them to complete this work by modeling the IR spectra of hydrated sulfates ions [SO4(H2O) n=9-36]2-, for which they obtained experimental signatures.

Des études antérieures ont montré que l'incorporation de groupements méthyles par dépôt assisté par plasma (PECVD) dans des couches minces de silicium améliore leur cyclabilité lors de leur utilisation comme électrodes négatives pour les batteries Li-ion. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs approches ont été adoptées pour mieux comprendre les phénomènes impliqués dans ce nouveau matériau lors de cyclages en condition réaliste.Nous avons montré que la spectroscopie infrarouge operando en géométrie de réflexions totales atténuées (ATR-FTIR) apporte des informations quantitatives sur les phénomènes mis en jeu lors de la lithiation et de la délithiation de la couche active. L'augmentation progressive de l'absorbance pendant la première lithiation permet notamment de suivre la formation d’une phase très riche en lithium LizSi qui envahit progressivement le matériau. Nous avons montré que la concentration z du lithium dans cette phase dépend de la teneur en groupements méthyles. Nous avons expliqué ce phénomène par deux effets distincts : (1) la fragilisation du matériau du fait de la diminution du degré de réticulation et de la cohésion. (2) la porosité qui augmente aux teneurs en méthyles plus élevées. Nous avons par ailleurs obtenu par microscopie électronique en transmission une mise en évidence directe de cette porosité à l’échelle nanométrique et de son accroissement avec la teneur en méthyle.Les mesures de spectrométrie de masse à ionisation secondaire à temps de vol (ToF-SIMS) en collaboration avec Chimie ParisTech ont montré que l’invasion du lithium à partir de la phase LizSi vers la zone non-lithiée est un phénomène très lent (correspondant à un coefficient de diffusion D ~10-19 cm2).Nous avons constaté par spectroscopie ATR-FTIR operando et mesures électrochimiques que l'évolution de la couche de passivation (SEI) dépend du taux du cyclage et de la teneur en groupements méthyles lors du premier cycle.Enfin, les phénomènes se produisant lors de l’interruption de la lithiation électrochimique ont été suivis à différents états de charge par spectroscopie ATR-FTIR operando et spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Nous avons découvert qu'en début de lithiation, une partie du lithium inséré dans la couche repart vers l'électrolyte et contribue à l'augmentation de l'épaisseur de la SEI formée sur l'électrode. / Previous studies showed that the incorporation of methyl groups in silicon thin films obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) improves their stability as negative electrodes in Li-ion batteries. In this thesis, several approaches have been used to understand phenomena occurring in the so-called "methylated amorphous silicon" during realistic cycling condition.We have shown that infrared spectroscopy operando in attenuated total reflection geometry (ATR-FTIR) provides quantitative information on the phenomena involved during the lithiation and the delithiation of the active material. The gradual increase of the absorbance during the first lithiation makes it possible to follow the formation of a lithium-rich phase LizSi which gradually invades the material. We have shown that the concentration z of lithium in this phase depends on the content of methyl groups. This behavior has been explained by two distinct effects: (1) the weakening of the material due to the methyl-induced lowering of its reticulation degree and cohesion. (2) the increase of the material porosity at high enough methyl content. Transmission Electron Microscopy (TEM) measurements revealed that a porosity is present at the nanometer scale in the active material and increases with methyl content. Time-Of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy measurements performed at Chimie ParisTech have shown that the lithium invasion of the pristine active material from the lithium-rich phase is an utterly slow phenomenon (corresponding to a diffusion coefficient D ~10-19 cm2).We observed Solid Electrolyte Interphase (SEI) evolution during first cycle depends on cycling rate and methyl content, using operando ATR-FTIR spectroscopy and electrochemical methods.The evolution of the material after interruption of the electrochemical lithiation at several states of charge has been monitored using operando ATR-FTIR spetroscopy and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Those measurements show that part of the lithium initially inserted in the layer returns to the electrolyte during relaxation and contributes to the growth of the SEI.

Résumé du travail<p><p>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.<p>Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’électrode d’Au (111) modifiée par du 2-mercaptobenzimidazole. <p><p>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.<p>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.<p>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.<p>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.<p>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.<p><p>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.<p>Un rapide examen des potentialités de cette monocouche a été réalisé à l’aide de réactions sondes.<p>/<p>Abstract<p><p>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.<p>In the present work, we focussed on the modification of Au(111) electrodes by 2-mercaptobenzimidazole (MBI).<p><p>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.<p>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.<p>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.<p>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.<p>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.<p><p>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.<p>An exploratory examination of the potentialities of the monolayer is made by means of electrochemical probe reactions.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les recherches présentées dans ce mémoire ont été rendues possible grâce à la contribution financière du CRSNG, par à leur Programme de subventions à la découverte (SD) et leur Programme de bourses d’études supérieures du Canada au niveau de la maîtrise (BESC M); du FRQNT, par leur Programme de bourse de maîtrise (B1); et du CLS, par leur Graduate and Post-Doctoral Student Travel Support Program. / Le graphène est un nano-matériau très prometteur grâce à ses excellentes propriétés mécaniques, optiques et électriques. Toutefois, la plupart de ses applications les plus novatrices requièrent de l'altérer, mais la compréhension du graphène altéré est encore limitée. Certaines applications envisagées sont en optique infrarouge. Or, notre compréhension actuelle du graphène ne permet pas d’expliquer l’apparition des pics infrarouges qui sont observés dans les bicouches et dans les monocouches fonctionnalisées. Le comportement du graphène fonctionnalisé est particulièrement contre-intuitif, puisque l’ajout de greffons le rend plus transparent, et non pas plus opaque! Un modèle proposé par Bruno Rousseau, un étudiant post-doctorant du professeur Michel Côté à l'Université de Montréal, suggère une explication à ce phénomène: bien que les phonons du graphène ne puissent pas coupler directement avec la lumière, ils coupleraient indirectement avec celle-ci grâce à des collisions sur les électrons, qui eux, peuvent coupler avec les photons. Ce couplage indirect peut produire des interférences parfois constructives, parfois destructives, de telle sorte que ce mécanisme peut autant produire des pics d’absorbance que de transparence. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons entrepris de vérifier expérimentalement la validité de ce modèle, et nous concluons qu’il semble prédire adéquatement le comportement de l’activité infrarouge des bicouches de graphène et des monocouches fonctionnalisées. Nous avons aussi étudié les méthodes par lesquelles nous synthétisions ces différents types de graphène afin de les optimiser. Enfin, nous avons déterminé des techniques, basées sur la spectroscopie Raman, permettant de bien caractériser l’intensité de l’altération causée par ces méthodes. / Graphene is a promising nanomaterials thanks to its excellent mechanical, optical and electrical properties. However, its most innovative applications require that it be altered, but the understanding altered graphene is still limited. Some applications are considered in infrared optics. However, our current understanding of graphene does not explain the appearance of the infrared peaks that are observed in bilayers and grafted monolayers. The behaviour of grafted graphene is especially baffling, since the addition of grafts makes it more transparent, not less! A model proposed by Bruno Rousseau, a postdoctoral student of Professor Michel Côté at Université de Montréal, suggests an explanation for this phenomenon: although the phonons of graphene cannot couple directly with light, they could couple indirectly through collisions with the electrons, which can couple with photons. This indirect coupling may produce constructive and destructive interference, depending on the conditions, so this mechanism can produce absorbance peaks as much as transparency peaks. In this master’s thesis, we have undertaken to experimentally verify the validity of this model, and we conclude that it seems to adequately predict the behaviour of the infrared activity of graphene bilayers and grafted monolayers. We also studied the methods by which we synthesized these different types of graphene to optimize them. Finally, we determined techniques based on Raman spectroscopy to characterize the intensity of the alteration induced by these methods.