L'origine microscopique du ralentissement de la dynamique dans les systèmes vitreux peut être attribuée à la nature hétérogène de la dynamique apparaissant à l'approche de la température de transition vitreuse. Dans ce travail, nous caractérisons cette hétérogénéité dynamique dans le cadre d'une dynamique hors-équilibre en nous basant sur l'étude numérique et analytique de modèles à contraintes cinétiques. Nous mesurons ainsi le temps de vie de l'hétérogénéité dynamique et démontrons que dans le cas des verres fragiles, il augmente plus rapidement que le temps de relaxation du système. Nous caractérisons aussi les régimes de vieillissement des modèles étudiés en établissant l'existence d'un lien avec la dynamique de modèle de marcheurs aléatoires. Enfin nous mesurons la violation du théorème fluctuation-dissipation et montrons que le signe négatif des températures effectives trouvées est une conséquence directe de la nature thermiquement activée de la dynamique.

Quelque soit le domaine d'application, qu'il soit électronique, mécanique, optique, magnétique ou biologique, les dimensions des dispositifs diminuent régulièrement. Dans cette course effrénée à la miniaturisation, la lithographie représente une étape technologique clé de la structuration d'un matériau. Son rôle, décisif, est rempli à ce jour par des outils de lithographie optique opérant dans l'ultraviolet profond. Les objectifs en terme de résolution et de rendement sont ainsi atteints et répondent aux exigences économiques des industriels de la microélectronique. Les outils de lithographie par faisceau d'électrons sont également utilisés mais, malgré une excellente résolution, les temps d'exposition sont extrêmement longs et cela compromet sérieusement leur utilisation en milieu industriel. L'amélioration continuelle de la résolution rend ces outils de plus en plus coûteux et les laboratoires de recherche, extérieurs au domaine de la microélectronique sont souvent incapables d'investir aussi lourdement pour la seule étape de lithographie. L'introduction et le développement de nouvelles techniques de lithographie résolvantes, rapides et peu coûteuses s'avèrent donc nécessaire. C'est dans ce contexte que sont apparues les techniques de lithographie par impression qui figurent désormais parmi les NGL (Next Generation Lithography).<br />L'objet de ce travail de thèse est l'étude et le développement de la technique de lithographie par nanoimpression. Ce travail est principalement axé sur l'étude et la caractérisation des films minces de polymère lors du procédé de lithographie par nanoimpression. Nous nous sommes essentiellement intéressés à la caractérisation des propriétés thermique et physico-chimique des films sur leur substrat, à l'uniformité de l'épaisseur résiduelle, aux mécanismes d'impression, aux déformations du moule ainsi qu'à ses conséquences et enfin aux instabilités des films de polymère lors de l'impression

L'étude du comportement mécanique des verres métalliques, matériaux dépourvus d'ordre à longue distance, est un sujet actif. L'intérêt pour ces matériaux a été renouvelé par la mise au point d'alliages amorphisables à faible vitesse critique de trempe permettant d'obtenir des échantillons massifs et donc d'envisager des applications structurales. Les mécanismes de déformation d'un verre métallique base Zr ont été étudiés que ce soit à température ambiante, où le comportement semble fragile macroscopiquement, ou à des températures supérieures à la transition vitreuse, où une grande capacité de déformation est atteinte. Des techniques de caractérisation originales alliant des essais de compression à des essais de nanoindentation (à température ambiante) ou à des essais de spectromécanique (à haute température) ont été utilisées et validées. Un modèle de déformation multiatomique a ainsi pu être proposé pour rendre compte du comportement à haute température. Ces matériaux permettent également de fabriquer, au travers d'une cristallisation partielle, des nanocomposites amorphe / cristal. La cristallisation a été finement caractérisée et deux nouvelles méthodes de mesure de la fraction volumique de nanocristaux ont été validées. L'influence de ces nanocristaux a été étudiée dans les deux gammes de températures caractéristiques et pour les différents modes de sollicitation mécanique révélant une influence relative sur le comportement à température ambiante et une influence marqué sur les mécanissmes visqueux.

Cette these presente l''etude de la dynamique de modeles, dans le cadre de la transition vitreuse dont une comprehension complete echappe encore a la physique moderne. Nous avons donc, a l'aide de modeles jouets, etudie certaines de ses proprietes caracteristiques. Par exemple, lorsque l'on s'approche de la transition, la dynamique de relaxation du systeme va dramatiquement ralentir. Pour etudier ces systemes intrinsequement hors-equilibre, le principal paradigme utilise dans cette these, est celui des milieux desordonnes. Sous certaines conditions, il va exister une analogie entre le modele desordonne et le systeme reel, qui possede une vraie transition vitreuse structurelle. Si les interactions sont a courte portee, la dynamique de relaxation peut etre reliee a la constante de diffusion du milieu. Si celle-ci s'annule, on passe alors d'un regime de diffusion dit normal, a un regime dit anormal. Cette transition dynamique est alors analogue a la transition vitreuse. Dans cette optique, nous nous sommes interesses a la diffusion de dipoles dans un champ electrique. Le desordre se presente alors sous la forme d'un potentiel electrique aleatoire, le choix le plus naturel est de prendre une statistique Gaussienne. Dans une limite adiabatique, ou les dipoles s'adaptent instantanement aux variations locales du champ, ce modele se reduit a une particule diffusant dans un potentiel effectif aleatoire Gaussien, au carre. Nous montrons alors, exactement en une dimension, et par un calcul de groupe de renormalisation en dimension superieure, que la constante de diffusion du systeme va s'annuler pour une temperature critique non nulle, en dessous de laquelle, le systeme devient sous-diffusif. La dynamique se gele alors, a la maniere d'une transition vitreuse. Nous montrons enfin que, au-dela de l'approximation adiabatique, la transition survit a la meme temperature critique en dimension une.

L’objectif principal de ce travail est d’étudier in-situ et ex-situ l’interaction du dioxyde de carbone (CO2) avec les films minces de polystyrène et les surfaces par deux techniques principales : la réflectivité des rayons X (RRX) et l’ellipsométrie.Dans cette thèse, nous abordons l’étude des propriétés physiques de films de polystyrène (PS) à l’état confiné (films minces) et leur évolution lors de leur exposition à du CO2 sous pression. Nous démontrons par RRX et par ellipsométrie sur les mêmes films que la densité et l’indice de réfraction augmentent quand l’épaisseur du film diminue. Nous confirmons la diminution de Tg pour des films de PS d’épaisseur inférieure à 70 nm selon la loi empirique de Keddie [1]. Ces deux résultats pourraient signifier que les films ultraminces présentent une certaine organisation des chaines.Nous abordons ensuite le comportement des films ultra minces de PS exposés à du CO2 en fonction de la pression de CO2 par réflectivité de rayons X (RRX) faite au rayonnement synchrotron (ESRF ligne ID10B). Nous suivons in-situ le gonflement et le dégonflement du film mince d’épaisseur 7 nm lors de la pressurisation et la dépressurisation du CO2. Par calcul de l’évolution de la densité électronique dans le film, nous mettons en évidence l’existence d’une pression de transition vitreuse Pg et d’un gonflement rémanent lié à la présence de molécules de CO2 piégées dans le film [2].Nous proposons par la suite une étude ex-situ par RRX du gonflement et de l’évolution au cours du temps des films de PS gonflés. Nous observons que les films minces présentent une plus grande capacité de gonflement et dégonflement au cours du temps par opposition aux films plus épais. Nous constatons que ce phénomène est fortement dépendant du taux de dépressurisation. En effet, nous constatons que la dépressurisation rapide renforce considérablement, non seulement le gonflement du film, mais aussi son dégonflement au cours du temps. Nous mettons alors en évidence que le taux de dépressurisation régit clairement l'état final des films gonflés, à savoir l’état métastable ou l’état vitreux.Finalement, nous étudions l’influence du gonflement du film par le CO2 sur l’évolution de la température de transition vitreuse. Cette étude est effectuée principalement par ellipsométrie. Nous montrons que ces films qui ne présentaient qu’une valeur unique de Tg avant exposition, présentent après exposition trois valeurs de Tg. En suivant l’évolution de l’épaisseur de ces films gonflés en fonction de la température, nous proposons des réponses qui peuvent expliquer les différentes Tg observées. En outre, nous mettons en évidence l’existence du CO2 stocké dans les films. Après un recuit au dessus de 150°C, les films reprennent le même comportement qu’avant exposition au CO2 qui est loin d’être l’état d’équilibre du polymère massique. Nous confirmons par ce fait l’existence de fortes forces de rappel dans les films ultraminces qui les ramènent vers leurs états initiaux de non équilibre. Ce résultat est à rapprocher de celui concernant l’évolution de la Tg due au confinement dans les films ultraminces avant exposition. / The aim of this work is to study in-situ and ex-situ interaction of carbon dioxide (CO2) with thin films of polystyrene and surfaces by two main techniques: the X-ray reflectivity (XRR) and ellipsometry.In this thesis, we address the study of the physical properties of polystyrene films (PS) in the confined state (thin films) and their evolution when exposed to CO2 pressure. We demonstrate by XRR and ellipsometry in the same films that the density and the refractive index increase when the film thickness decreases. We confirm the decrease of Tg for PS films of thickness less than 70 nm according to the empirical law of Keddie [1]. Both results could mean that ultrathin films have a certain organization of channels.We then discuss the behavior of PS ultra thin films exposed to CO2 as a function of CO2 pressure by XRR made at synchrotron radiation (ESRF ID10B line). We monitor in situ the swelling and deswelling of the 7 nm thin film thickness upon pressurization and depressurization of CO2. By calculating the evolution of the electron density in the film, we highlight the existence of a glass transition pressure Pg and a residual swelling due to the presence of CO2 molecules trapped inside the film [2].We propose then an ex-situ XRR study of swelling and kinetic of deswelling for PS swollen films. We observe that the thin films have a higher swelling and deswelling capacity compare to the thicker films. We note that this phenomenon is highly dependent to the depressurization rate. Indeed, we find that the rapid depressurization greatly enhances not only the swelling of the film, but also its deswelling over time. We then highlight that the rate of depressurization clearly governs the final state of swolen films, to say the metastable state or glassy state.Finally, we study the effect of film swelling by CO2 on the evolution of the glass transition temperature. This study is carried out mainly by ellipsometry. We show that these films which showed only a single Tg value before exposure, after exposure has three values of Tg completely independent of film thickness. By following the thickness evolution of these swollen films as a function of temperature, we offer answers that can explain the different Tg values observed. In addition, we highlight the existence of CO2 stored in these films. After annealing above 150 ° C, the films show the same behavior as before exposure to CO2 which is far from the equilibrium state of the bulk polymer. We confirm therefore the existence of strong restoring forces in ultrathin films that bring them back to their initial states of non-equilibrium. This result presents similarities to that concerning the evolution of the Tg due to confinement in ultrathin films before exposure.

Au cours de ce travail, essentiellement expérimental, nous nous sommes intéressés à la relaxation structurale dans un verre silicaté que nous avons analysé et interprété en terme de dynamique hétérogène. Expérimentalement, nous avons couplé les informations obtenues par différentes spectroscopies qui sondent des échelles spatiales allant du nm (Raman, Infrarouge) à une centaine de nanomètres (Brillouin). Numériquement, nous avons décomposé les fonctions de relaxation obtenues par les différentes spectroscopies et nous avons mis en évidence l’existence de plusieurs échelles temporelles ainsi existantes. A longue distance, les expériences in situ Brillouin effectuées le long d’une rampe de chauffage et des isothermes montrent que (i) les phonons acoustiques sont affectés par le recuit et (ii) la dynamique de relaxation est hétérogène à l’approche de la transition vitreuse. Ainsi, contre toute attente cette hétérogénéité est très fortement dépendante du parcours suivi en température. A courte et moyenne distance, les mesures in situ Raman à hautes température sur des rampes de chauffe et des isothermes, montrent que la relaxation structurale affecte l’ordre spatiale du réseau silicaté. Le couplage des analyses en composantes individuelles et principales a permis d’identifier deux processus de relaxation attribués respectivement à la relaxation du fond continu et des entités Qn. Par des mesures in situ d’Emissivité Infrarouge dans le liquide et grâce à un modèle proche du modèle binaire l’abondance des espèces Qn lors des processus de relaxation et cristallisation a été obtenue. Un mécanisme d’activation de la relaxation à grande distance par une re-polymérisation locale est mis en évidence. Ce même mécanisme est un précurseur de la cristallisation. / Résumé en cours de rédaction

Le but de la thèse était de comprendre l’effet du confinement en épaisseur nanométrique sur lespropriétés d’un polymère amorphe au-dessus de sa transition vitreuse. Le confinement est inévitablement lié auxeffets de surface générant le confinement et on imagine immédiatement la difficulté qu’il y a à séparer les effetsde confinement et d’interfaces. Des films multi-nanocouches alternées de PS et PC obtenus par un procédéspécifique d’extrusion ont été choisis pour l’étude car l’effet du confinement comme celui des interfaces sontmultipliés et plus facilement détectable. En espérant que des techniques expérimentales soient plus sensibles àl’un des effets, nous avons plus particulièrement sélectionné la calorimétrie, la RMN, la spectroscopiediélectrique et la rhéologie dynamique en cisaillement. En RMN du solide, nous avons pu montrer que lamobilité des cycles phénoliques du PC augmente dans des films PC/PS en proportions respectives 70/30 pourdes températures supérieures à la température de transition vitreuse du PS. Cet effet peut être plutôt attribué àl’interface sachant que l’épaisseur des couches de PC est plus importante. Les essais de relaxation diélectriquemontre clairement un écart entre les réponses des films multi-couches et ceux pour les structures bi-composants.Ces résultats ont été confirmés par les écarts obtenus entre la réponse diélectrique simulée des films multi-couches obtenue à partir des réponses propres du PC et PS et celle mesurée. Ces résultats sont très prometteurs,mais demandent des études supplémentaires pour une analyse en profondeur. Connaissant le comportementrhéologique dynamique en cisaillement des matériaux PS et PC, celui des films multi-couches a été prédit. Ilapparait que le module élastique du PS augmente significativement lorsque l’épaisseur des couches de PSdescend en dessous d’un seuil plutôt élevée : 150 à 200 nm. En dessous de ce seuil, la transition vitreuse du PSmesurée par calorimétrie augmente également sensiblement. Aucune des modélisations proposées ne permetd’expliquer avec suffisamment de fidélité les résultats expérimentaux. / The aim of the thesis was to elucidate the effect of confinement of amorphous phase of apolymer above its glass transition temperature being in contact with another polymer in a rigid state.Confinement is unavoidably connected with surfaces enforcing confinement. It is very difficult to separate theeffect of confinement from the effect of interfaces because both effects arise parallel and coincide. Multilayeredfilms were chosen as the base material for the studies because they contain multifold number of confined layerand response from confinement and interfaces is multifold increased. Hoping that some of experimentaltechniques are more sensitive to interfaces while others to confinement we selected the following:microcalorimetry, SSNMR, direlectrical spectroscopy and dynamic shear rheology. We have searched for theinfluence of PS on dynamics of phenyl rings of PC for PC/PS film with ratio 70/30 in the temperature rangefrom 296 K to 393 K employing PILGRIM pulse sequence. .We show that above the glass transition temperatureof PS, the PC component became more flexible. It is at the first glance the effect of the interface because there isno significant confinement of thicker PC layers. Dielectric relaxation spectroscopy measurements in our studyclearly provide evidence for deviations from a simple 2-phase structure in multilayered films PC/PS that is worthto be analyzed more in the future. The dielectric response of the multilayer samples was also modeled andcompared with experimental results. We obtained again discrepancies between the simulated spectra and themeasured spectra for multilayer films. Knowing the exact composition and viscoelastic behaviour of eachcomponent, the theoretical viscoelastic behavior of composites has been predicted numerically. Then,rheological tests have been made, and confronted with numerical predictions, to detect the confinement effect.The upper limit of thickness beyond which PS in confined layers at rubbery state becomes stiffer than in bulk isabout 150/200 nm. It appeared that the shear modulus of the thinnest PS layers (10 nm) is nearly 2.5 times largerthan that for bulk PS sample. We can note that Tg of PS layers also begins to increase beyond this upper limit ofthickness.. None of the experiment could clearly deliver the information about the effect of confinement orinterface on the behavior of PS layers alone. The results obtained here point out that separation of the effects ofconfinement and interfaces remains very difficult.

Ce travail s’inscrit dans le projet de développement des réservoirs essence pour voitures à partir des formulations Polyamide 6,6 (PA6,6). Le PA6,6 est un bon candidat pour des applications techniques car il possède des bonnes propriétés thermomécaniques rapportés à son poids. Ces formulations doivent montrer des bonnes propriétés barrière aux essences classiques, aux biofuels (essence contenant de l’éthanol) et aussi à l’eau qui est présente dans l’atmosphère, tout en ayant une bonne tenue aux chocs.Les enjeux scientifiques sont la meilleure compréhension des interactions entre le PA6,6 et des solvants purs de polarités et tailles différentes mais aussi des mélanges ternaires composés d’éthanol, toluène et isooctane à différentes concentrations et qui modélisent les biofuels. On veut aussi étudier l’effet de ces solvants sur la température de transition vitreuse Tg qui est la signature de la mobilité moléculaire de la phase amorphe. Ensuite, l’effet de l’additivation ou de l’ajout des co-monomères sur les propriétés barrière et mécaniques, notamment les propriétés choc, a été étudié. Dans ce travail nous avons pu décrire comment la nature d’un solvant conditionne sa sorption et son effet plastifiant dans le PA6,6. On a aussi observé que la nature et les interactions interchaînes de la matrice polymère conditionnent aussi la prise en solvants. De plus, une approche thermodynamique a été proposée pour étudier et comprendre la sorption de mélanges ternaires éthanol-toluène-isooctane et leur effet plastifiant dans le PA6,6. On a aussi montré que les propriétés mécaniques du PA6,6 dépendent ou sont liées à l’état de mobilité moléculaire de la phase amorphe de ce polymère. / This work forms part of a project aimed to develop Polyamide 6,6(PA6,6)-based automotive fuel tanks. PA6,6 is a good candidate for technical applications since it possesses good thermo-mechanical properties compared to its weight. These formulations must exhibit good impermeable properties to classic gasoline, to biofuels (gasoline containing ethanol), and to water which is found in the atmosphere, while keeping good impact behavior.The scientific issues are the better understanding of PA6,6-solvent interactions in the case of a series of solvents having different sizes and polarities and also for a set of ternary mixtures composed of ethanol, toluene, and isooctane at various concentrations that model biofuels. The effect of these solvents on the glass transition temperature Tg (molecular mobility signature) was assessed. The effect of additivating or chemically-modifying PA6,6 on the impact and barrier properties of the polymer was studied.In this work, it was described how the nature of a solvent conditions its sorption and its plasticizing effect on PA6,6. It was also observed that the PA6,6 inter-chain interactions also condition the solvent sorption. Moreover, a thermodynamic approach describing the sorption and plasticizing effects of ternary mixtures in PA6,6 was considered and developed. It was also observed that PA6,6 mechanical properties depend or are related to the amorphous phase molecular mobility state.

Le but de cette étude était de déterminer si le partage de petites molécules dans un système d'emballage/aliment change lorsque le polymère passe d’un état vitreux à caoutchoutique. La sorption par un polystyrène amorphe vitreux est un processus très lent. L’hystérésis observée entre les cycles de sorption et de désorption du n-hexane peut être due principalement à la variation de la vitesse à laquelle le système évolue au voisinage de la Tg et à une augmentation du volume libre dans le polymère. La sorption de vapeur de n-hexane ne modifie pas l’état physique du système, alors que celle du toluène induit un passage de l’état vitreux à caoutchoutique. Toutefois, le comportement du coefficient de partage du système toluène/PS reste inchangé lors de la transition vitreuse du système. L'effet de plastification provoquée par la sorption des composés volatils a été étudié. La sorption de certains composés volatils induit un abaissement significatif de la température de transition vitreuse du polystyrène. L'effet plastifiant du n-hexane lors de sa sorption par le PS était plus forte que celle des autres composés étudiés. Les valeurs de coefficients de partage du p-xylène et de l'éthylbenzène entre un film de polystyrène et l'éthylène glycol sont plus faibles que celles du n-hexane et du toluène à 25 °C. Finalement, malgré les modifications structurales induites par la sorption, l’énergie d’activation du coefficient de partage n’est pas significativement modifiée lors de la transition vitreuse. / The aim of this work was to find out whether the partitioning behavior of small molecules in a polymer food packaging system changes as the system traverses through its glass transition. Sorption in glassy amorphous polystyrene is a very slow process. The large hysteresis between sorption-desorption cycles of n-hexane/PS was hypothesized to be mainly due to varying rate at which the glass transition temperature was reduced and increase in system’s volume. The equilibrium sorption in glassy amorphous polystyrene at 25 °C, of n-hexane vapor did not modify the state of the system, whereas that of toluene vapor modified the system’s state significantly. The partitioning behavior of toluene/PS remained unchanged across the glass transition of the system. The plasticization effect caused by sorption was studied and revealed that it modifies the glass transition of a volatile/PS mixtures quite significantly. Such information is useful in knowing state modifications of the system as long as sorption/migration occurs, and thus assisting interpretation. The plasticizing effect of n-hexane in amorphous PS was stronger than that of three other volatiles studied. The estimated partition coefficient values of p-xylene and ethylbenzene between polystyrene film and ethylene glycol were several times lower than the experimental values of n-hexane and toluene at 25 °C. Finally, glass transition or change from glassy to rubbery states and vice-versa does not significantly modify the activation energy of sorption.

L´objectif du travail présenté dans ce manuscrit consiste à conserver les bonnes propriétés mécaniques du poly(butadiène) dihydroxytéléchélique (PBHT) tout en améliorant sa stabilité. Un des principaux verrous techniques de cette approche réside dans le fait que les doubles liaisons responsables la flexibilité du matériau sont également la cause de son vieillissement par oxydation. Les solutions proposées reposent sur l´utilisation de la métathèse comme outils de synthèse de polymères insaturés. Deux grandes voix de synthèse ont été étudiées : la polymérisation par ouverture de cycle via métathèse (ROMP) ainsi que la dépolymerisation fonctionnalisante (ADMET). Ces deux approches bien que prometteuses n’ont pas permis de sortir de la relation ciseau existante entre flexibilité et stabilité. Finalement, une solution basée sur le mélange entre deux polymères dihydroxytéléchéliques de basse température de transition vitreuse – poly(butadiene) et poly(isobutylene) a permis de répondre dans une certaine mesure aux cahier des charges. En parallèle a ces parties synthèses, une étude physique des relations structure-propriétés visant à améliorer la stabilité des oligomères a été apporté par mesure rhéologique du temps critique de réticulation. / The work reported in the following document is aiming at maintaining the good mechanical properties of diHydroxyTelechelic PolyButadiene HTPB while improving its stability. The major challenge of this approach is that the unsaturations responsible for the outstanding flexibility of the material are also rather sensitive to oxidation. The solutions presented in this study are based on the use of metathesis reactions as a tool for the design of new difunctional unsaturated oligomers. Two functionalization techniques have been investigated, on the one hand, the Ring Opening Methathesis Polymerisation (ROMP) and, on the other hand, the depolymerisation via Acyclic Diene METathesis (ADMET). Although promising, the latters proved to fall into the vicious circle consisting in simultaneously increasing the stability while losing the flexibility. Finally, a blending concept based on the mixture of two dihydroxytelechelic polymers, namely, poly(isobutylene) and poly(butadiene), could enable us to achieve our initial goal. In addition to the chapters focusing on polymer chemistry and synthesis, a physical study of the parameters influencing the aging of unsaturated oligomers have been set-up and the properties relationship using measurements of the critical time.