La connaissance d’un système gaz/solide requiert l’analyse de l’adsorption, du premier stade jusqu’à saturation. C’est la motivation de l’analyse des surfaces sous vide. L’approche des surfaces divisées est souvent tronquée. Pratiquée à des pressions suffisamment élevées pour être compatible avec un temps de réaction raisonnable, elle ne permet pas l'analyse de la surface nue à la monocouche. L’objectif du présent travail a été d’établir une continuité d’observation par FTIR, de l’UHV à la pression ambiante, de poudres de MgO, ZnO et ZnxMg1-xO exposées à l’eau ou à l’hydrogène. Il a été montré que les fumées de ZnO se comparent à des cristaux présentant les faces (0001), (0001̅), (101̅0), (112̅0), avec un rapport non-polaire/polaire de 75/25. Par FTIR combinée à la photoémission et à la désorption thermique, trois étapes de l’hydroxylation des fumées de MgO ont été identifiées : défauts ponctuels (10-8 mbar), marches (10-6 mbar) puis terrasses (> 10-5 mbar), avec une restructuration qui prouve que l’eau change la structure de surface de MgO. La représentation commune de la surface de MgO par une suite de facettes (100) est mise en cause. Aux faibles teneurs en zinc, l’oxyde mixte ZnxMg1-xO est formé de cristallites cubiques de même structure que MgO. Le zinc en substitution tend à ségréger vers les sites de basse coordinence où il affecte les propriétés d’adsorption d’eau et d’hydrogène. Par ailleurs, le mélange ZnO-MgO obtenu par combustion d’alliage ZnMg offre une possibilité d’application grâce aux propriétés bactéricides de ZnO et de faible toxicité de MgO. L’ensemble des résultats montre la pertinence de l’étude des poudres pratiquée dans les conditions de l’UHV. / The analysis of adsorption from the first stage to saturation is necessary to understand gas/solid interactions. This is the motivation for surface analysis under vacuum. The common approach of dispersed materials surfaces is incomplete since working pressures, that are high enough to achieve reasonable reaction times, do not allow studies of powder surfaces from bare to fully covered. The aim of the present work is to examine the successive changes of ZnO, MgO and ZnxMg1-xO nanopowders upon exposure to water or hydrogen from UHV to the ambient by FTIR. It is shown that ZnO smokes behave in a same way as a collection of single crystals which exhibit (0001), (0001̅), (101̅0) and (112̅0) faces with a non-polar/polar ratio of 75/25. Combining FTIR with XPS and TPD techniques, three stages of hydroxylation were identified on MgO smokes: point defects (10-8 mbar), steps (10-6 mbar) then terraces (> 10-5 mbar). Results indicate a reorganisation of surface structure showing that water adsorption on MgO(100) is an irreversible process. The common model of MgO as a series of (100) facets is questioned. At low concentrations of zinc, the mixed oxide ZnxMg1-xO consists of crystals with similar structure as MgO. A segregation of Zn2+ toward low coordinated surface sites is suggested to explain the changes in reactivity of the ZnxMg1-xO with respect to water and hydrogen at low coverages. Furthermore, the mixture ZnO-MgO produced by combustion of ZnMg alloy combines the antibacterial properties of ZnO and the biocompatibility of MgO, interesting for potential applications. The overall results demonstrate the relevance of the study of powders in ultra-high vacuum conditions.

Le calcul de quantités dépendants du temps pour des systèmes quantiques est limité le scaling exponentiel des méthodes exactes. Néanmoins, ces quantités présentes un intérêt scientifique important. Un compromis, entre précision et coût, est trouvé par les méthodes quasi-classiques. Dans ces méthodes, la densité thermique exacte est combinée à des trajectoires approximant la dynamique quantique. Durant ma thèse, j’ai développé et appliqué une méthode quasi-classique : PIM (Phase Integration Methode) qui combine des algorithmes MC et MD pour calculer des fonction de corrélation. Le Chapitre 2 décrit les méthodes quasi-classiques ainsi que les approximations qui permettent d’en tirer les fonctions de corrélations dépendants du temps.Le Chapitre 3 illustre comment PIM est adapté au calcul de la densité de Wigner qui est une quantité clé pour les méthodes quasi-classique. À travers le calcul de cette quantité, PIM est capable de capturer des corrélations entre différents degrés de liberté. Dans le Chapitre 4, on montre comment PIM est adapté au calcul de spectres infrarouge. La comparaison des résultats avec d’autres méthodes montre que PIM est une méthode précise pour les systèmes à basse dimensionnalité. Les spectres de OH et CH4 confirment que PIM ne souffrent pas de problèmes intrinsèques comme CMD ou RPMD et peut être appliqué à des systèmes à plus haute dimensionnalité. Le Chapitre 5 présente la méthodologie pour calculer des constantes de vitesse à l’aide de PIM. Les résultats sont bons jusqu’à 300 K mais pas en dessous. Le travail futur se concentrera sur le calcul de la fonction de corrélation de Kubo flux-side pour remédier à ce problème. / Simulation of time-dependent quantities for quantum systems is limited by the exponential scaling of exact methods. However, the calculation of these quantities is key in many problems. A reasonable compromise among accuracy and cost is done by the quasi-classical methods for computing time correlation functions. In these methods, the thermal density is combined with trajectories that approximate quantum dynamics. In my thesis, I develop and apply quasi-classical methods for vibrational spectroscopy. The focus is on the Phase Integration Method. PIM is based on combining MD and MC algorithms to compute appropriate quantities. Chapter 2 is devoted to a general description of the quasi-classical methods. We introduce the different approximations used to compute quantum time correlation functions. Chapter 3 illustrates how PIM is adapted to the calculation of the Wigner density, which is a key quantity in quasi-classical methods. Via this quantity, we show that PIM is able to capture quantum correlation effects among different degrees of freedom. Chapter 4 focuses on the adaptation of PIM for the infrared spectroscopy. Comparison of our results, show that PIM is accurate for low dimensional models. OH and CH4 spectrum confirms that our approach does not suffer from the pathologies such as CMD and RPMD but also that it can treat systems with a larger number of degrees of freedom reliably. Chapter 5 presents the methodology used to calculate rate constants with PIM. The results are in good agreement with the exact reference until 300 K. Future work will focus on using the Kubo flux side correlation function.

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.