A parallel GPU compatible Lagrangian mesh free particle solver for multiphase fluid flow based on SPH scheme is developed and used to capture the interface evolution during droplet impact. Surface tension is modeled employing the multiphase scheme of Hu et al. (2006). In order to precisely simulate the wetting phenomena, a method based on the work of Šikalo et al. (2005) is jointly used with the model proposed by Afkhami et al. (2009) to ensure accurate dynamic contact angle calculations. Accurate predictions were obtained for droplet contact angle during spreading. A two-dimensional analytical model is developed as an expansion to the work of Chandra et al. (1991). Results obtain from the solver agrees well to this analytical results. Effects of memory management techniques along with a variety of task assigning algorithms on GPU are studied. GPU speedups of up to 120 times faster than a single processor CPU were obtained.

A parallel GPU compatible Lagrangian mesh free particle solver for multiphase fluid flow based on SPH scheme is developed and used to capture the interface evolution during droplet impact. Surface tension is modeled employing the multiphase scheme of Hu et al. (2006). In order to precisely simulate the wetting phenomena, a method based on the work of Šikalo et al. (2005) is jointly used with the model proposed by Afkhami et al. (2009) to ensure accurate dynamic contact angle calculations. Accurate predictions were obtained for droplet contact angle during spreading. A two-dimensional analytical model is developed as an expansion to the work of Chandra et al. (1991). Results obtain from the solver agrees well to this analytical results. Effects of memory management techniques along with a variety of task assigning algorithms on GPU are studied. GPU speedups of up to 120 times faster than a single processor CPU were obtained.

Les liquides confinés présentent beaucoup de comportements fascinants, très différents de ceux qui sont observés dans leur volume. Le confinement peut induire un déplacement de l'équilibre des phases (par exemple de la transition liquide-vapeur, aussi appelé condensation capillaire), il peut modifier la température de transition vitreuses des polymères, ou bien imposer un ordre dans l'arrangement moléculaire du fluide. Les modifications des propriétés mécaniques des liquides aux interfaces sont particulièrement importantes au niveau des applications. Cependant au niveau de la compréhension, le simple cas des liquides newtoniens est toujours sujet à controverse, avec d'une part des simulations numériques montrant que la viscosité ne devrait pas être modifiée pour des confinements supérieurs à quelques tailles moléculaires, et d'autre part des expériences non unanimes, montrant parfois des modifications qualitatives des propriétés rhéologiques sous confinement. Récemment nous avons montré que les méthodes d'impédance hydrodynamique en géométrie sphère-plan constituent une méthode privilégiée, non-intrusive et non-ambigüe, pour aborder la nano-mécanique des liquides aux interfaces (1,2). S'agissant d'interphases, cad de couches fluides dont les propriétés sont modifiées par la proximité d'un solide, il est possible d'accéder à leur module sans contact, donc sans la perturbation apportée par une seconde surface. S'agissant de l'effet du confinement sur la rhéologie, nous avons montré que la déformation élastique à l'échelle du pico-mètre des surfaces confinantes, donne une forte modification de la rhéologie apparente du fluide, même en l'absence de tout effet intrinsèque. Le sujet de thèse vise à mettre en oeuvre les méthodes d'impédance hydrodynamique pour étudier la rhéologie de solutions de polymères confinés. On étudiera plus précisément deux systèmes modèles d'importance fondamentale aussi bien que pratique : les brosses de polymères greffés, dont les propriétés mécaniques sont un enjeu dans les applications de lubrification aussi bien que pour les écoulements biologiques, et les solutions de polymères hydro-solubles d'intérêt pour la récupération assistée du pétrole, en vue de comprendre les effets de fluidification sous confinement et de faire la part entre modification de la viscosité et couche de déplétion induite par l'écoulement. Au niveau instrumental, un des enjeux de la thèse sera de mettre en oeuvre les mesures d'impédance hydrodynamique sur deux types d'instruments complémentaires au niveau de l'échelle de la sonde: l'appareil de mesure de forces dynamique (SFA) du Liphy, et l'AFM à détection interférométrique développé à l'Institut Néel. Ces différentes échelles d'investigation devront permettre de préciser les propriétés moyennes mécaniques moyennes des liquides confinés et leurs gradients au voisinage de la paroi. Une perspective du travail sera de mettre en regard les propriétés mécaniques et rhéologiques intrinsèques des brosses polymères déterminées directement sur SFA ou AFM, avec leur propriétés fonctionnelles: propriétés de lubrification des contacts frottants, ou de modification des écoulements des dans micro-canaux. Ceci sera poursuivi sur la plateforme expérimentale mise en place par Lionel Bureau au Liphy : SFA de friction, systèmes micro-fluidiques à visée biomimétique (parois fonctionnalisées par des brosses polymères). L'enjeu sera alors de comprendre comment les propriétés mécaniques et rhéologiques des brosses déterminent celles des systèmes dans lesquels elles interviennent. / Liquids confined present many fascinating behaviors very different from those observed in their volume. Confinement can induce a shift in the balance of phases (eg the liquid-vapor transition, also called capillary condensation), it can change the glass transition temperature of the polymer, or impose order on the molecular arrangement of fluid. The changes in the mechanical properties of liquid interfaces are particularly important in applications. However the level of understanding, the simple case of Newtonian liquids is still controversial, with one hand, numerical simulations show that the viscosity should not be changed for some higher molecular sizes containment, and secondly non-unanimous experiences, sometimes showing qualitative changes in rheological properties under confinement. Recently we have shown that the methods of hydrodynamic impedance sphere-plane geometry is a privileged, non-intrusive method and unambiguous, to discuss the mechanics of nano-liquid interfaces (1,2). As interphase, ie fluid layers whose properties are modified by the proximity of a solid, it is possible to accede their contactless module, so without the disturbance caused by a second surface.S As regards the effect of confinement on the rheology, we have shown that the elastic deformation across the pico meter of confining surfaces, gives a strong modification beyond apparent rheology of the fluid, even in the absence of any intrinsic effect. The thesis aims to implement the hydrodynamic impedance methods to study the rheology of polymer solutions confined. We specifically consider two models of fundamental importance as well as practical systems: brushes grafted polymer whose mechanical properties are an issue in lubrication applications as well as for biological flows and solutions of water-soluble polymers interest in enhanced oil recovery, in order to understand the effects of thinning containment and to distinguish between changes in viscosity and depletion layer induced by the flow. At the instrumental level, one of the challenges of the thesis is to implement the hydrodynamic impedance measurements on two complementary instruments at the level of the probe: the measuring dynamic power (SFA) of Liphy, and AFM interferometric detection developed at the Institut Néel. These different scales of investigation will help to clarify the medium average mechanical properties of liquids confined and their gradients near the wall. A view of work will be to look mechanical and rheological properties of polymer brushes intrinsic determined directly on SFA or AFM with their functional properties: lubricating properties of sliding contacts, or modification of the flow in microchannels. This will continue on the implementation by Lionel Bureau Liphy experimental platform: SFA friction advised biomimetic micro-fluidic systems (walls functionalized polymer brushes). The challenge will be to understand how the mechanical and rheological properties of brushes determine those systems in which they operate.

O objetivo desta dissertação de mestrado é estudar técnicas numéricas para simular escoamentos incompressíveis multifásicos e implementar uma ferramenta computacional utilizando malhas hierárquicas e discretizações por diferenças finitas. São apresentados a formulação matemática e o desenvolvimento do método numérico, levando em consideração o caráter multifásico do escoamento. Foi adotado o modelo de força superficial contínua e a representação da interface foi feita pelo método de acompanhamento de fronteira. São expostos todos os testes realizados durante o desenvolvimento da ferramenta para checar cada etapa do método. Finalmente, testes visando verificar o código foram feitos e os resultados obtidos foram considerados satisfatórios para a verificação da ferramenta aqui desenvolvida. / The objective of this masters degree essay is to study numerical techniques to simulate incompressible multiphase flows and to implement a computational tool using hierachical meshes and discretizations by finite diferences. We introduce the mathematical formulation and the development of the numerical method, for the multiphase flow problem. A continuum surface force model is employed with the interface representation by the front tracking method. We show all tests performed to verify each stage of the methods development. Finally, results obtained in classical benchmark flow tests show good agreement with previous published results, corroborating the validity of this newly developed numerical tool.

A l’arrivée d’un potentiel d’action au niveau d’une synapse neuronale, des ions calcium (Ca2+) pénètrent dans le neurone, permettant aux protéines SNAREs (N-ethylmaleimide-sensitive factor activating protein receptor) de s’assembler entièrement, engendrant la fusion des vésicules synaptiques contenant les neurotransmetteurs avec la membrane plasmique du neurone. Des protéines régulatrices telles que la Complexine et la Synaptotagmine sont étroitement couplées aux SNAREs et permettent une fusion rapide et synchrone. La Synaptotagmin-1 (Syt1), une protéine transmembranaire localisée sur les vésicules synaptiques, est le senseur calcique de la neurotransmission. Syt1 possède deux domaines de liaison au Ca2+, C2A et C2B, un domaine flexible reliant la région membranaire au C2A, ainsi qu’un court lien entre C2A et C2B. Il a été montré qu’une région polybasique dans le C2B se liait aux lipides anioniques tels que phosphatidylserine (PS) et phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) en l’absence de Ca2+. A l’entrée du Ca2+, les ions Ca2+ se lient au C2A et au C2B. La liaison de Syt1 aux ions Ca2+ permet aux résidus non polaires à proximité des sites de liaison au Ca2+ de s’insérer dans la membrane. Si ces mécanismes sont relativement bien acceptés, les mécanismes biochimiques et biophysiques précis du déclenchement de la fusion induit par la liaison de Syt1 au Ca2+ restent flous. Dans ce travail, nous mesurons directement les interactions de Syt1 liée à une membrane avec des membranes anioniques comprenant des lipides PS et PIP2 par un appareil à force de surface (SFA), afin d’imiter la membrane d’une vésicule synaptique contenant Syt1 interagissant avec la membrane plasmique anionique. Nous réalisons une mutagénèse dirigée sur les sites de liaison au Ca2+ de C2A et C2B, ainsi que sur le site polybasique de C2B, pour entièrement cartographier les énergies de liaison à la membrane relatives à ces sites, à la fois en présence et en l’absence d’ions divalents. Nous trouvons que Syt1 se lie avec une énergie de ~6 kBT dans l’EGTA, ~10 kBT dans le Mg2+, et ~18 kBT dans le Ca2+. Des réarrangements moléculaires mesurés pendant le confinement de Syt1 entre les membranes prévalent dans le Ca2+ et dans le Mg2+, et suggèrent que Syt1 se lie initialement via le C2B puis réoriente ses domaines C2 dans la conformation de liaison privilégiée. La neutralisation des sites de liaison au Ca2+ de C2B engendre une réduction radicale de l’énergie de liaison de Syt1 dans le Ca2+, alors que la même mutation dans le C2A a un effet plus nuancé. Ces résultats éclairent sur la coopérativité de C2A et C2B dans leur liaison à la membrane, et montrent un rôle apparent prédominant de C2B. / Upon arrival of an action potential at the neuronal synapse, calcium ions (Ca2+) enter the neuron, allowing soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor activating protein receptor (SNARE) proteins to fully zipper, leading to the fusion of pre-docked synaptic vesicles containing neurotransmitters with the plasma membrane of the neurone. Regulatory proteins such as Complexin and Synaptotagmin are closely coupled to SNAREs during synaptic vesicle fusion and lead to synchronous, fast fusion. Synaptotagmin-1 (Syt1) is a transmembrane protein found in synaptic vesicles and is the Ca2+ sensor for synaptic transmission. Syt1 has two Ca2+ binding domains, C2A and C2B, with a flexible linker domain from the membrane region to C2A, and a short linker between C2A and C2B. A polybasic patch in C2B has been shown to bind to anionic lipids such as phophidylserine (PS) and phosphisotinol (PIP2) in the absence of Ca2+. Upon Ca2+ influx, Ca2+ ions bind in C2A and C2B. Ca2+ binding to Syt1 allows non-polar residues nearby the Ca2+ binding sites to insert into the membrane. While these mechanisms are relatively well-accepted, the precise biochemical and biophysical mechanisms for the Syt1 Ca2+ trigger remain unclear. In this work, we directly measure the interactions of Syt1-coated membranes with anionic membranes including PS and PIP2 lipids by the surface forces apparatus (SFA) technique, in order to mimic a Syt1-coated synaptic vesicle membrane interacting with the anionic plasma membrane. We perform site directed mutagenesis of the Ca2+ binding sites of C2A and C2B, along with the polybasic patch in C2B, to fully map the site-binding energetics of Syt1 with membranes, both in the absence and presence of divalent ions. We find that Syt1 binds with ~6 kBT in EGTA, ~10 kBT in Mg2+, and ~18 kBT in Ca2+. Molecular rearrangements measured during confinement of Syt1 between membranes are more prevalent in Ca2+ and Mg2+ and suggest that Syt1 initially binds through C2B, then reorients the C2 domains into the preferred binding configuration. Neutralization of C2B Ca2+ binding site leads to a drastic decrease of Syt1 binding energy in Ca2+, while the same mutation in C2A has a milder effect. These results illuminate that C2A and C2B cooperate in membrane binding, with an apparent predominant role of C2B.

La friction entre les surfaces mobiles de l’organisme peut être un problème difficile à résoudre, notamment dans les pathologies dégénératives comme l’arthrose ou la sécheresse oculaire. Malgré le développement de nombreux produits pharmaceutiques, les matériaux actuellement utilisés pour protéger les tissus blessés et les dispositifs biomédicaux contre l'usure par frottement sont encore limités dans leurs performances. Il existe un besoin urgent de matériaux injectables capables de protéger ces tissus et dispositifs afin de prolonger leur durée de vie et de traiter efficacement des maladies dégénératives. Parmi les innovations de la dernière décennie, les polymères à structure dite « en brosse » (BBs) se sont révélés prometteurs pour amoindrir les problèmes de friction et d'usure. Inspirés de l’architecture spécifique du protéoglycane 4, l'un des principaux composants lubrifiants du cartilage, les macromolécules BBs sont constituées d’un squelette linéaire et de chaînes latérales formant une brosse dense pouvant maintenir de l’eau sous une pression élevée. Les différentes structures des BBs, selon le squelette et leurs chaînes latérales, conduisent à plusieurs caractéristiques morphologiques et propriétés tribologiques intéressantes dans l’ingénierie tissulaire. Bien que leurs propriétés lubrifiantes aient été prouvées dans plusieurs études, les BBs n’ont à ce jour que peu d’applications. D’une part, la corrélation entre leur structure et leurs propriétés physicochimiques n’est pas encore clairement établie. D’autre part, il manque encore des études relatives à l’efficacité des BBs sur de vrais tissus. Pour pallier ce problème, notre projet vise à caractériser les propriétés physicochimiques et tribologiques des BBs sur différents types de surfaces en fonction de leur structure. La longueur du squelette, la densité de greffage et l’addition du groupe d’ancrage sont les 3 variables principales étudiées dans ce projet. La lubrification ainsi que d’autres propriétés importantes des BBs ont été évaluées sur les surfaces molles des cartilages, des yeux et des lentilles en contact. Les tests tribologiques ont été menés en utilisant un appareil à force de surface (SFA) via l’association du protocole classique et avancé qui l’adapte aux surfaces testées. A côté de la tribologie, l’affinité cinétique, la toxicité, les propriétés antisalissure et anti-inflammatoire des BBs sur les interfaces ont aussi été étudiées dans ce projet via les techniques de LigandTracer et de microscope fluorescent. / Friction between the body's moving surfaces can be a difficult problem to solve, particularly in degenerative pathologies such as osteoarthritis or dry eye. Despite the development of numerous pharmaceutical products, the materials currently used to protect injured tissues and biomedical devices against frictional wear are still limited in their performance. There is an urgent need for injectable materials capable of protecting these tissues and devices in order to extend their life and effectively treat degenerative diseases. Among the innovations of the last decade, polymers with a so-called "brush structure" (BBs) have shown promise in reducing friction and wear problems. Inspired by the specific architecture of proteoglycan 4, one of the main lubricating components of cartilage, BBs macromolecules consist of a linear backbone and side chains forming a dense brush capable of holding water under high pressure. The different structures of BBs, depending on the backbone and their side chains, lead to several morphological features and tribological properties of interest in tissue engineering. Although their lubricating properties have been proven in several studies, BBs have few applications to date. On the one hand, the correlation between their structure and physicochemical properties has not yet been clearly established. On the other hand, studies on the effectiveness of BBs on real tissues are still lacking. To overcome this problem, our project aims to characterize the physicochemical and tribological properties of BBs on different types of surfaces, depending on their structure. Backbone length, graft density and anchoring group are the 3 main variables studied in this project. Lubrication and other important properties of BBs were evaluated on the soft surfaces of cartilages, eyes and contact lenses. Tribological testing was carried out using a Surface Force Apparatus (SFA) via a combination of the classic and advanced protocol, adapting it to the surfaces tested. Alongside tribology, the kinetic affinity, toxicity, anti-fouling and anti-inflammatory properties of BBs on interfaces were also studied in this project via LigandTracer and fluorescent microscopy techniques.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en œuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élastohydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600 nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide / This work addresses how the measurement of hydrodynamic forces of a liquid confined between a sphere and a surface of interest can lead to probe at a distance and without contact her mechanical properties. Firstly, we introduce this original technique of fluid probe and the dynamic Surface Force Apparatus used to perform these nanorheology experiments. Then, we present two applications for which the fluid probe can be of great importance. The first application is the study of friction properties of lipid bilayers. More particularly we measure very weak fluid friction coefficients on some fluid bilayers, which can be an important issue for biolubrication. The second application is the study of elastic properties of thin elastomer layers. For that we first develop an elasto-hydrodynamic theory for sphere-plan configuration in dynamic mode. Then, we present experimental results in very good agreement with this theory. We are able to measure the Young modulus of thin PDMS films of thickness as small as 600 nm. Finally, we present instrumental developments performed on the Surface Force Apparatus to optimize its potential as fluid probe

Lorsque deux solides séparés par un liquide se rapprochent, le drainage s’accompagne de forces visqueuses normales aux parois. Si elles sont très rapprochées, de l’ordre de quelques nanomètres, les parois sont indentées par ces forces : c’est le "confinement élastique". Indenter un solide par un liquide permet de supprimer l’adhésion, qui limite la résolution en termes de module d’Young des tests classiques d’indentation par un solide, surtout pour les films supportés minces et mous, par exemple des élastomères d’épaisseur micrométrique. Or leurs propriétés, qui peuvent sensiblement différer des propriétés en volume, sont essentielles dans des domaines aussi variés que la microfluidique, l’électronique ou l’usure mécanique. Nous présentons les calculs qui relient les forces normales aux propriétés mécaniques du liquide et des parois lors d’un confinement élastique. Les résultats sont comparés à des expériences de nanorhéologie réalisées sur une machine à forces de surface très sensible. Cette sensibilité nous permet de montrer que l’effet du confinement élastique se manifeste même sans film mou déposé : cela implique que la rhéologie apparente d’un liquide confiné est toujours affectée par les déformations des parois, même très rigides.Nous montrons enfin que nous pouvons effectivement mesurer avec précision des modules d’Young autour du MPa dans des films d’élastomères de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur. Si le module de stockage ne varie presque pas avec l’épaisseur, un module de pertes apparaît, augmentant sensiblement lorsque l’épaisseur diminue, témoignant d’une visco-élasticité que nous attribuons à la présence d’une couche interfaciale. / When two solids separated by a liquid layer are moving towards each other, the resulting drainage is associated with viscous forces normal to the walls. If these are very close to each other (several nanometers), they are indented by these forces : this is the notion of “elastic confinement”. Indenting a solid by a liquid solves the problem of adhesion, which limits the ability of classical indentationtests to provide accurate measurements on Young’s modulii. Adhesion is especially problematic for soft thin films, for example micrometric layers of elastomers, which mechanical properties can strongly differ from the bulk, but are of the highest importance in various fields such as microfluidics, electronics or mechanical wear. We present here the calculations which link the solid and liquid mechanical properties to the resulting forces in a liquid indentation test. The corresponding results are compared to nanorheology experiments using a very sensitive Surface Force Apparatus. Its sensitivity enables us to show that the elastic confinement is also measurable without any soft films, which implies that a confined liquid apparent rheology is always affected bythe deformations of even very rigid confining walls. Finally, we demonstrate that we are indeed able to measure precisely Young’s modulii in the MPa range for films as thin as several hundreds of nanometers. While the storage modulii are found to be almost independent ofthe film thicknesses, we identify the presence of loss modulii increasing with decreasing thicknesses. We attribute this unexpected viscoelastic behaviour to the presence of an interfacial layer.

Thèse de recherche en chimie dans le domaine des polymères / Les polymères photostimulables sont une classe spécifique de polymères stimulables capables de subir un changement de conformation sous l’action de l’irradiation lumineuse. La lumière est un stimulus externe physique pouvant avoir un impact sur un matériau sans modifier directement sa composition chimique. De plus, la taille d’un faisceau lumineux comme le laser peut atteindre des dimensions de l’ordre de la centaine de nanomètres, permettant son utilisation pour les travaux de précision. Enfin, pouvoir allumer et éteindre la source de lumière de manière instantanée rend ce stimulus attrayant pour un vaste choix d’applications en raison de la possibilité de contrôler avec précision les échelles de temps d’utilisation du stimulus. C’est pourquoi les chercheurs s’intéresse à la lumière en tant que stimulus et à ses potentielles applications pour les polymères stimulables. Dans les deux premiers chapitres de ce manuscrit, la lumière sera utilisée pour induire indirectement une réponse au sein de polymères thermostimulables. Pour cela, des matériaux photothermiques capables de convertir la lumière en chaleur seront combinés avec des polymères thermostimulables à base de microgels de poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) afin de préparer des matériaux composites. Ces types de matériaux sont déjà bien connus dans la littérature. Cependant, à l’échelle micrométrique, ils souffrent d’une mauvaise optimisation en raison de la ségrégation des matériaux lors de leur préparation. Le premier chapitre traitera tout d’abord de la préparation d’un tel composite à base de microgels de PNIPAM et de nanoparticules d’or (AuNPs). Différents paramètres permettant d’améliorer la dispersion des AuNPs dans les microgels seront identifiés dans le but d’optimiser la synthèse de ces matériaux composites. Ensuite, les microgels composites seront immobilisés en surface, et leur gonflement en surface en fonction de la température et de l’irradiation sera étudié à l’aide de la technique Surface Force Apparatus (SFA). Cette étude innovante rapporte pour la première fois la caractérisation quantitative du gonflement de polymères photo- et thermostimulables immobilisés en surface à l’échelle du nanomètre. En effet, ce type de système n’a jusqu’à maintenant été étudié que de manière qualitative. Dans un second chapitre, les AuNPs qui ont servi de nanoparticules photothermiques modèles ont été remplacées par la polydopamine (PDA), une nanoparticule aux propriétés photothermiques dont l’intérêt s’est développé plus récemment. La PDA, comme les AuNPs, interagit et se complexe avec les amines primaires contenus dans nos microgels de PNIPAM. Ainsi, les deux systèmes composites sont présumés similaires en termes de conformation et de structure. Les microgels composites à base de PDA ont été préparés dans des proportions équivalentes de nanoparticules photothermiques à celles à base de AuNPs de l’étude précédente, ce qui a permis leur comparaison. Les deux matériaux composites ont démontré des propriétés photothermiques similaires, avec cependant des performances légèrement supérieures pour les microgels composites à base de PDA. Utilisant des sources d’irradiation de même puissance, la PDA, lorsqu’irradiée à 360 nm, semble démontrer des propriétés photothermiques environ 25% supérieures à celles des AuNPs sphériques irradiées à leur longueur d’onde de résonance plasmonique. Bien qu’étant supérieur en termes de propriétés photothermiques, le gonflement en surface des microgels composites à base de PDA était inférieur à celui des microgels composites à base d’AuNPs. Cette différence de comportement s’explique par une densité de greffage des microgels composites à base de PDA inférieure à la densité de greffage des microgels composites à base d’AuNPs. Il en résulte une augmentation de l’espace adjacent pour les microgels moins densément greffés pouvant gonfler dans toutes les directions contrairement à une densité de greffage importante qui favorise le gonflement des microgels de manière perpendiculaire au substrat. Enfin, dans le troisième chapitre, des brosses de polymères aux propriétés réversiblement photo-dimérisables ont été préparées. Pour cela, des chaînes pendantes de coumarine ont été introduites dans les brosses de polymères. La coumarine est un groupement qui peut subir une dimérisation sous l’effet de la lumière UVA (λUVA > 310 nm) et peut se dédimériser réversiblement sous l’irradiation des UVC (λUVC < 260 nm). La photo-dimérisation de la coumarine ne peut avoir lieu que si elle respecte certains critères stricts, à savoir une orientation parallèle ou antiparallèle des groupements de coumarine et une distance de séparation inférieure à 4,2 Å. Ainsi, l’immobilisation de la coumarine sur une surface peut affecter la photo-dimérisation en raison de la difficulté de contrôler la distance de séparation entre les groupements de coumarine situés sur les chaînes de polymères adjacentes immobilisées en bout de chaînes. Dans cette partie, la propriété de photo-dimérisation réversible des brosses de polymères contenant des chaînes pendantes de coumarine a ainsi été étudiée en fonction de la distance de séparation entre les chaînes polymériques. De plus, la caractérisation de la capacité de gonflement de la couche de polymères ainsi obtenue dans l’eau a permis d’estimer la nature de la photo-dimérisation des chaînes polymériques, qui est favorisée de manière intermoléculaire pour un greffage dense de chaînes de polymères. / Photo-responsive polymers are a specific class of stimuli-responsive polymers which undergo conformational changes under light irradiation. Light is an external physical stimulus which can impact a medium without affecting its chemical composition. Width beam can be as low as a few hundreds of nanometers, which makes it usable for precision work. Furthermore, the capacity to turn off and on the light source instantaneously makes it very attractive for all kind of applications because of the possibility to control the timescale of the stimulus. Therefore, the work will focus on the study of light as a stimulus and its potentials of applications in order to trigger a response in stimuli-responsive polymers either directly, or indirectly. In the first two chapters of this manuscript, light will be used to trigger indirectly a response in thermo-responsive polymers. For this, photothermal materials that can convert light into heat will be combined with thermo-responsive polymers based on poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels in order to prepare composite materials. These types of materials are already well known in the literature. However, at the microscale level, they suffer from poor optimization because of segregation of materials during the preparation process. The first chapter will treat the preparation of such composite based on PNIPAM microgels and gold nanoparticles (AuNPs). Different parameters allowing the improvement of AuNPs dispersion in the microgels will be identified in order to optimize the synthesis of the composite materials. Then, the composite microgels were immobilized on surface, and their swelling as a function of the temperature, and triggered by light were studied using the Surface Force Apparatus (SFA). This innovative study reports the first quantitative characterization of the swelling of photo- and thermo-responsive polymers immobilized on surfaces and at the nanometer scale. Indeed, these systems have been reported multiple times in the literature. However, the nature and scale at which these materials are studied were so far limited to qualitative characterizations only. In the second chapter, the AuNPs which served as model photothermal nanoparticles were swapped with polydopamine (PDA), a nanoparticle with photothermal properties whose interest has recently grown. PDA, like AuNPs, can interact and complex with primary amines that are present in our PNIPAM microgels. Thus, both composite systems were expected to be similar in terms of conformation and structure. The PDA containing composite microgels were prepared using equivalent proportions of photothermal nanoparticles compared to the precedent study, allowing a comparison of both PDA and AuNPs containing composite microgels. Both composites demonstrated similar photothermal properties, albeit a slightly better performance for the composite microgels based on PDA. Using light sources of equivalent power, PDA demonstrated photothermal properties when irradiated at 360 nm, approximately 25% superior than that of spherical AuNPs irradiated at their localized surface plasmon resonance. Despite being slightly superior in terms of photothermal responsive properties, the surface swelling of the PDA containing composites were inferior to that of AuNPs containing composites because of differences in terms of grafting caused by differences of interactions between the composites with silica-based substrates. Finally, in the third chapter, polymer brushes with reversibly photo-dimerizable properties were prepared. For this purpose, pendant chains of coumarin were introduced into polymer brushes. Coumarin is a functional group that can undergo dimerization under the influence of UVA light (λUVA > 310 nm) and can reversibly dedimerize upon irradiation with UVC (λUVC < 260 nm). The photo-dimerization of coumarin can only occur if strict criteria are met, including a parallel or antiparallel orientation of the coumarin groups and a separation distance of less than 4.2 Å. Thus, the immobilization of coumarin on a surface can affect the photo-dimerization due to the difficulty of controlling the separation distance between the coumarin groups located on end-tethered adjacent polymer chains. In this part, the reversible property of photo-dimerization of polymer brushes containing pendant chains of coumarin was studied as a function of the separation distance between the polymer chains. Furthermore, the characterization of the swelling capacity of the resulting polymer layer in water allowed us to assess the nature of the photo-dimerization of the polymer chains, which is favored in an intermolecular manner for densely grafted polymer chains.

La compréhension des mécanismes qui pilotent la transmission des contraintes aux interfaces déformables est au centre de nombreuses problématiques touchant des applications actuelles utilisant un film mince de polymère souple comme couche interfaciale. Arriver à caractériser de tels films fins est encore un défi aujourd’hui car l’analyse des mesures expérimentales destinées à extraire les contributions dues aux films est complexe et délicate et les techniques usuelles de caractérisation sont peu adaptées aux systèmes. Ce travail étudie la réponse mécanique de deux types de systèmes modèles au moyen de deux techniques de caractérisation différentes. Le premier système que nous avons élaboré et caractérisé mécaniquement par le test JKR, est constitué de films d’élastomère réticulé d’épaisseurs micrométriques (de 5 à 100µm) et déposés sur des wafers de silicium. Les mesures expérimentales ont été analysées par comparaison à un modèle semi-analytique récent proposé par E. Barthel dans le but d’extraire le module élastique de chaque film et de répondre à la question de savoir si l’épaisseur du film influe sur la valeur de ce module. Nous avons montré que ce modèle permet de rendre compte quantitativement du raidissement lié à la présence d’un solide supportant le film mais que la précision sur les mesures de modules de Young reste limitée (de l’ordre de 35 %).Le deuxième système modèle est constitué de brosses de polymères greffées (PDMS) par une extrémité à la surface de wafers de silicium et gonflées dans un bon solvant (47V20). Nous avons analysé la réponse mécanique dans plusieurs régimes de distance et de fréquence en utilisant un appareil à forces de surface (SFA) dans lequel on contrôle l’approche d’une sphère millimétrique d’un plan sur lequel sont greffées les polymères. En statique, nous avons vérifié que la réponse en compression était celle d’une brosse de type Alexander-de Gennes. En mode dynamique, quand la sphère est loin de la couche gonflée, nous avons vérifié que la réponse dissipative était celle d’un écoulement de Reynolds qui décrit normalement l’écoulement d’un fluide simple newtonien entre une sphère et un plan solide. Ceci nous a permis de montrer que l’écoulement du solvant pénètre partiellement à l’intérieur de la couche greffée sur une profondeur de l’ordre du tiers de l’épaisseur gonflée de la couche. Dans le régime ou les brosses sont comprimées, il n’y a pas d’accord entre les mesures réalisées et le modèle classique de Fredrickson et Pincus. Ceci s’explique par les expériences que nous avons réalisées sur un substrat nu (sans polymère) montrant pour la première fois la déformation des substrats solides qui sont indentés par l’écoulement de liquide et qu’il faut prendre en compte cette déformation dans les analyses de nanorhéologie. Finalement, une annexe est consacrée à la fabrication de surfaces hydrophobes silanisées optimisées en vue d’étudier le glissement d’un liquide simple et d’électrolytes à la paroi. / Understanding how stresses are transmitted to deformable interfaces is a key-point in numerous issues having everyday life applications which use a thin polymer film as an interfacial layer. Still, characterizing the mechanical properties of such elastic films remains a challenge because the usual employed techniques are destructive of the surface and because of the complexity of the associated analysis. In this work, we study the mechanical response of two types of home-made model systems using two different characterization techniques. The first system – studied with a JKR test- is composed of reticulated elastomeric films of micrometric thickness (5 to 100 µm) and stuck to a silicon wafer. We analyse the experimental data with E.Barthel’s recently published semi-analytical model in order to determine the elastic modulus of each indented film and see if the thickness of the film had any influence on its value. We show that this model is in a quantitatively good agreement with our data but that we only have a 35% accuracy on the elastic modulus values thanks to the set-up. The second system we studied consists in polymer brushes end-grafted onto the surface of silicon wafers and of nanometric thickness. To characterize the mechanical response of those brushes and the effect of both their molecular organization and ingredients on their ability to transmit stresses at the interface, we use a surface force apparatus in the dynamic mode as a soft fluid indenter. We use a millimetric sphere to create a liquid flow of the solvent in which the brushes are immerged and swollen. This flow induces hydrodynamic forces whose range we can control by varying the excitation frequency and the distance of approach. We obtain the following results : first with the static response we checked that the response of the polymer layers are well-described by the Alexander-de Gennes approximation. In the dynamical mode, when the sphere is far from the solid surface, we showed that the dissipative response was well-described by the Reynolds force. Thanks to those results, we succeeded in localizing the limit of penetration of the liquid flow inside the brushes at one third of the thickness of the swollen brush; second, when the brushes are compressed, we showed that the existing models (Fredrickson & Pincus) are insufficient to explain the dynamic responses of the brushes. This disagreement is explained by experiments we performed on the bare solid substrate, which show for the first time, the deformation of the substrate due to the liquid. Thus, the mechanical response of the underlying substrate has to be taken into account in the analysis of the nanorheological results on the brushes even though the substrate is much stiffer than the polymer layers. Finally, we present how we fabricated hydrophobic (silanized) surfaces in order to study the sliding of simple liquids at the wall with the same surface force apparatus.