A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. . / In this thesis, a therapeutic effect of nanodiamonds (NDs) has been evidenced by investigating the role of NDs surface chemistry on their electronic properties. More precisely, the generation of reactive oxygen species from detonation NDs under ionizing radiation, which could improve current radiotherapy treatments, has been demonstrated. To this end, surface treatments facilitating electron transfer from NDs to their environment, namely hydrogenation and surface graphitization, were developed. Experimental conditions ensuring an efficient hydrogenation by hydrogen plasma were determined under ultrahigh vacuum, before being used to prepare large quantities of NDs in powder phase. A similar procedure was applied to the surface graphitization of NDs, performed by annealing under vacuum at high temperature. The impact of such surface treatments on the electronic interaction properties of NDs has been investigated under ambient air and after dispersion in water. These surface treatments induce a positive Zeta potential to NDs in water, which origin has been discussed. Finally, their interactions with human tumor cells were observed. Radiosensitization of tumor cells using NDs under gamma irradiation was demonstrated, opening new perspectives for NDs in nanomedicine.

Cette thèse a porté sur l'étude des propriétés structurales et électroniques d'une série de complexes cubiques A-FeCo représentant des modèles moléculaires des CoFe-PBA. Ces cubes hétérobimétalliques neutres de formule A{Fe4Co4(CN)12} reproduisent une série d'unités cubiques uniques excisées du composé inorganique de type " bleu de prusse ". Le composé moléculaire octamétallique est composé de 4 ions FeIIBS, 3 ions CoIIIBS et 1 ion CoIIHS reliés par des ponts cyanures. Un monocation est hébergée à l'intérieur du cube. Les ions métalliques situés au coin du cube sont liés par des ligand tridentés de type scorpionate (Tp pour Fe et pzTp pour Co). La présence d'un ion Co (II) non équivalent induit un abaissement de la symétrie du Td à C3v. La DRX sur monocristaux a permis de déterminer avec précision l'emplacement du cation inséré dans le cube. En raison de la présence d'une charge négative formelle dans l'un des coins de la cage (celle accueillant l'ion Co (II)), deux types d'interactions entre le cation et le cube ont été postulés. L'une est une interaction électrostatique, et l'autre est l'interaction entre le cation (acide de Lewis) et les systèmes de cyanure (base de Lewis). Au sein de la famille des cubes contenant des ions alcalins, le Cs + interagit avec les 12 ponts cyanures alors que le K + n'interagit qu'avec trois d'entre eux. La spectroscopie RMN 133Cs a permis de confirmer une interaction chimique entre le césium (invité) et la cage (hôte). Ces cubes ont montré une remarquable capacité d'encapsuler différentes monocations de tailles et de nature différentes. / This thesis has focused on the investigation of the structural and electronic properties of a series of A-FeCo cubic complexes representing molecular models of the CoFe-PBAs. These neutral heterobimetallic cubes of abbreviated formula A-{Fe4Co4(CN)12} reproduce a series of single cubic units excised from the Prussian Blue type framework. The octametallic anionic core is composed by 4xFeIILS, 3xCoIIILS and 1xCoIIHS connected via bridging cyanides. A monocation is encapsulated inside the cube. The metal ions situated at the corner of the cube are facially capped by tridentate “scorpionate ligand” (Tp for Fe and pzTp for Co). The occurrence of one non-equivalent Co(II) ion induces a lowering of the symmetry from Td to C3v. Single crystal XRD allowed determining precisely the location of the inserted cation in the cube. Because of the presence of a formal negative charge in one of the corner of the cage (that accommodating the Co(II) ion), two types of interactions between the cation and the cube have been postulated. One is an electrostatic interaction, and the other one is the interaction between the cation (Lewis acid) and the cyanide systems (Lewis base). Within the family of alkali ion containing cubes, the Cs+ interacts with the 12 cyanide bridges whereas the K+ interacts with only three of them. The 133Cs-NMR spectroscopy allowed confirming a through bond interaction between the guest caesium and the host cage.

L'intégration de molécules électroactives dans des composants électroniques suscite un intérêt croissant en raison de la miniaturisation constante des dispositifs de microélectronique. Dans ce contexte les propriétés redox des polyoxométallates (POMs) en font des candidats potentiellement attractifs. Ce mémoire présente les différents travaux effectués lors de cette thèse dans le but d'immobiliser des POMs de manière covalente sur des surfaces conductrices. Des composés hybrides organique/inorganique à base de tungstène et de molybdène ont été synthétisés et immobilisés sur des surfaces de carbone, d'or et de silicium, puis la vitesse de transfert électronique entre la surface et le POM a été mesurée par électrochimie. Des études complémentaires ont montré que la densité de greffage a peu d'influence sur la constante de transfert électronique, à l'inverse de paramètres comme la nature du lien covalent ou la présence d'acide en solution. Enfin, la dispersion contrôlée de POMs sur des surfaces d'or a été effectuée. / Introduction of redox active molecules in electronic devices is currently attracting a lot of attention due to the unceasing downscaling of microelectronics components. In this context, the redox properties of polyoxometalates (POMs) make them interesting candidates. This thesis presents the results of this PhD work aiming at covalently grafting POMs on conductive surfaces. Organic/inorganic hybrids based on tungsten and molybdenum cores have been synthesised and grafted onto carbon, gold and silicon surfaces. The electron transfer rate between the electrode surface and the POM has been measured by electrochemistry. Whereas parameters such as the covalent link or the presence of acid have an important effect on the transfer rate, the grafting density does not impact it noticeably. In a last study, POMs were spread on gold surfaces in a controlled manner.

La demande énergétique de l’humanité augmente rapidement et ne montre aucun signe de ralentissement. Parallèlement à cette problématique, l'utilisation abusive de combustibles fossiles est l'une des principales causes d'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère. Ces problèmes doivent être résolus en termes de limitation des émissions de CO₂ et de recherche de sources d'énergie renouvelables pour remplacer les combustibles fossiles. De nos jours, l’énergie solaire est l’une des sources d’énergie renouvelables les plus efficaces. La conversion de l'énergie de la lumière solaire en électricité dans le photovoltaïque ou en énergie chimique par le biais de processus photocatalytiques implique invariablement un transfert d'énergie photo-induit et un transfert d'électrons. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier les processus photo-induits dans les photosystèmes moléculaires utilisant la photolyse par flash laser. Le premier thème de cette thèse porte sur l’étude du transfert monoélectronique dans des systèmes de dyades donneur-accepteur en vue d’optimiser l’efficacité de la séparation des charges et de son application dans la cellule solaire organique photovoltaïque. Le deuxième thème de cette thèse porte sur l’étude de deux systèmes modèles de photosynthèse artificielle étudiés pour la possibilité d’une accumulation de charge par étapes. Ensuite, différents systèmes photocatalytiques, développés pour la photoréduction du CO₂, ont été étudiés. La compréhension des processus photo-induits devraient permettre l’amélioration de l'efficacité de la réduction du CO₂ dans les systèmes photocatalytiques pratiques. / The energy demand of humanity is increasing rapidly, and shows no signs of slowing. Alongside this issue, abuse using fossil fuels is one of the main reasons which leads to an increase in atmospheric CO₂ concentration. These problems have to be solved in terms of both limiting CO₂ emission and finding renewable energy sources to replace fossil fuels. Nowadays, solar energy appears as one of the most effective renewable energy sources. Conversion of solar light energy to electricity in photovoltaics or to chemical energy through photocatalytic processes invariably involves photoinduced energy transfer and electron transfer. In this context, the aim of the thesis focuses on studying photoinduced processes in molecular photosystems using laser flash photolysis. The first theme of this thesis focus on studying single electron transfer in Donor-Acceptor Dyad systems towards optimization efficiency of charge separation and application in the photovoltaic organic solar cell. In the second theme of this thesis, two model systems of artificial photosynthesis were investigated to assess the possibility of stepwise charge accumulation on model molecules. A fairly good global yield of approximately 9% for the two charge accumulation on MV²⁺ molecule was achieved. Then, different photocatalytic systems, which have developed for CO₂ reduction, were studied. Understanding of the photoinduced processes is an important step toward improving the efficiency of reduction of CO₂ in practical photocatalytic systems.

Ce travail se propose de corréler les propriétés de transport électronique souvent très remarquables des oxydes de structure dérivée de la perovskite à leurs propriétés structurales. D'un point de vue expérimentale, l'intercalation électrochimique d'espèces oxygénées dans ces réseaux a permis d'obtenir des matériaux de cations de valences élevées où les phénomènes de transfert de charges sont exacerbés...

La corrosion induite par les micro-organismes (CIM) génère des pertes économiques mondiales chiffrées en milliards d’euros par an. Il est communément admis que les bactéries sulfato-réductrices (BSR) jouent un rôle clé dans la CIM anaérobie des aciers. Malgré cette unanimité, les essais en laboratoire peinent à reproduire la corrosion des aciers observées en milieu naturel; bien plus, ils n’expliquent pas quel est l’élément qui déclenche la corrosion, puisque les BSR présentes dans de nombreux environnements naturels n’induisent pas systématiquement de corrosion. L’objectif de ce travail est d’évaluer la pertinence dans le domaine de la CIM de nouveaux mécanismes de transferts électroniques entre aciers et protéines ou cellules microbiennes. La première partie de la thèse évalue l’effet d’une [Fe]-hydrogénase sur les processus de corrosion anaérobie des aciers au carbone. L’hypothèse d’une catalyse directe de la réduction des protons par des hydrogénases adsorbées a souvent été suggérée dans la bibliographie, elle est ici clairement démontrée. L’hydrogénase de Clostridium acetobutylicum, qu’elle soit active, désactivée ou dénaturée accélère la corrosion de l’acier au carbone. La présence de phosphate dans le milieu rend les interprétations plus complexes mais ne modifie pas le mécanisme. Une nouvelle hypothèse est avancée qui donne un rôle essentiel aux centres fer-soufre de la protéine. La catalyse de la corrosion par les hydrogénases pourrait donc être rapprochée des mécanismes bien connus de catalyse par le sulfure de fer. Dans ce cas l’état redox des centres fer-soufre serait une clé essentielle de l’apparition ou non de la corrosion. La deuxième partie élucide le rôle de Geobacter sulfurreducens sur la corrosion anaérobie de trois types de matériaux : aciers au carbone (1145), ferritique (403) et austénitiques (304L et 316L). Les résultats mettent en évidence pour la première fois que des cellules bactériennes adhérées induisent un anoblissement du potentiel libre des aciers et accélèrent la corrosion des aciers faiblement alliés par un mécanisme de transfert direct d’électrons. Suivant les concentrations d’accepteurs et de donneurs d’électrons en solution, G. sulfurreducens peut accentuer la propagation de la corrosion en catalysant directement la réduction cathodique ou, au contraire, en absence d’accepteurs et en excès de donneurs, protéger contre la corrosion. L’apparition de la corrosion ne peut donc être induite que par la conjonction défavorable de plusieurs paramètres. Ces résultats obtenus en laboratoire apportent de nouvelles voies d’investigations des phénomènes de CIM qui doivent maintenant être confrontées aux milieux naturels. / Microbially influenced corrosion (MIC) costs billions of euros per year. It is commonly agreed that sulphate-reducing bacteria (SRB) play a key role in anaerobic MIC of steels. In spite of this, laboratory experiments have difficulty in reproducing the corrosion of steels that is observed in natural environments. Moreover, they do not explain what triggers corrosion since SRB, ubiquitous in natural environments, do not systematically induce corrosion. The aim of this work was to evaluate the relevance of new electron transfer mechanisms between steels and proteins or microbial cells in the domain of MIC. The first part of the thesis evaluates the impact of [Fe]-hydrogenase on the anaerobic corrosion of mild steels. The direct catalysis of proton reduction by hydrogenases has often been suggested in the literature; here, it is clearly demonstrated. Hydrogenase from Clostridium acetobutylicum, whether it is active, deactivated on denatured, can accelerate the corrosion of mild steel. The presence of a phosphate medium makes the interpretations more complex without modifying the mechanism. A new hypothesis implying the crucial role of iron-sulphur clusters contained in the protein is brought to light. Corrosion catalysis by hydrogenases could be compared with well-known mechanisms of corrosion catalysis by iron sulphide. In this case, the redox state of iron-sulphur clusters would play a key role in the occurrence of corrosion. The second part elucidates the role of Geobacter sulfurreducens in anaerobic corrosion of three types of steels: mild steel (1145), ferritic (403) and austenitic steels (304L and 316L). Results show, for the first time, that adherent bacterial cells induce open circuit potential ennoblement of steels and accelerate the corrosion of slightly alloyed steels by a direct electron transfer mechanism. Depending on the concentrations of the electron acceptors and donors in the medium, G. sulfurreducens could either enhance corrosion propagation by direct catalysis of proton reduction or, in the absence of acceptors and with an excess of donors, protect against corrosion. Thus the occurrence of corrosion relies on the unfavourable conjunction of many parameters. These results obtained in laboratory conditions open new paths for investigating MIC in natural environments.

Le premier sujet d'étude est l'application des méthodes de dynamique de gaz sur réseau en champ moyen à l'électrochimie, en particulier à l'électrocristallisation.<br /><br />Le présent modèle, issu de la physique statistique, utilise des équations cinétiques microscopiques en champ moyen, pour décrire l'évolution des cinq espèces en présence~: métal, cation, anion, solvant et espèce électronique. En établissant ces équations à partir de considérations microscopiques, nous cherchons à modéliser la croissance de structures arborescentes sur la cathode, en tenant compte des effets d'anisotropie cristalline et de la mobilité des espèces, du potentiel appliqué et du taux de transfert électronique.<br /><br />Pour valider le modèle numériquement, nous commençons par étudier des systèmes unidimensionnels simplifiés, puis montrons qu'il est possible d'obtenir des croissances arborescentes bidimensionnelles.<br /><br />Le deuxième sujet est une approche analytique de la DLA dans un modèle plus limité de croissance d'aiguilles, par la méthode classique de transformation conforme. Le point nouveau est de modifier le modèle, en supposant que la croissance est discrète et probabiliste. Ceci permet d'obtenir une équation discrète de Fokker-Planck sur la probabilité de trouver au temps t une distribution donnée des longueurs d'aiguilles.<br /><br />En supposant un scénario de croissance hiérarchique, avec doublements de période successifs, on retrouve analytiquement la distribution d'aiguilles en fonction de la hauteur, prévue numériquement par des études antérieures.

La dispersion de nanoparticules de fer dans des métaux liquides à température ambiante (mercure et gallium) permet d'obtenir un liquide à la fois magnétique et conducteur. Ceci est réalisé par réduction électrochimique de suspensions colloïdales de nanoparticules d'oxyde de fer sur une électrode liquide. Les mécanismes intervenant dans la transformation électrochimique de particules chargées constituées de milliers d'atomes sont mal connus. Nous avons choisi ici de décrire la réactivité de nanoparticules à l'instar d'espèces ioniques électroactives en traitant d'abord l'approche de la particule chargée vis-à-vis d'une surface chargée et ensuite le transfert électronique entre la particule et l'électrode. Il a fallu dans un premier temps comprendre les mécanismes de charge et décharge des particules en fonction des conditions expérimentales de pH, de force ionique et de fraction volumique. Cela a été possible en couplant aux méthodes de titrations chimiques, les méthodes électrocinétiques et en utilisant les outils théoriques adaptés. Ensuite, l'association de la microscopie à champ proche, des techniques optiques (réflectométrie) et des mesures électrochimiques, réalisées sur des substrats métalliques solides de très faible rugosité, nous a permis d'interpréter les résultats obtenus sur électrode liquides (mercure) et d'envisager l'adsorption contrôlée des particules. Enfin, l'étude détaillée des transformations électrochimiques montre que sous certaines conditions, les particules gardent leurs propriétés de taille et de forme après avoir subi la réaction électrochimique justifiant leur utilisation dans la préparation d'un liquide magnétique conducteur.

A partir de l'étude des effets de la chimie de surface des Nanodiamants (NDs) sur leurs propriétés électroniques, cette thèse a permis la mise en évidence d'un effet thérapeutique des NDs sur des cellules humaines. En particulier, il a été montré que les NDs de détonation peuvent générer des radicaux libres oxygénés sous radiation ionisante, ce qui pourrait améliorer l'efficacité de certains traitements de radiothérapie actuels. Les échanges électroniques entre le coeur des NDs et leur environnement sont en effet favorisés après des traitements de surface, notamment d'hydrogénation et de graphitisation de surface. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir des NDs hydrogénées (NDs-H) sous plasma d'hydrogène ont été optimisées sous ultravide, puis ont été utilisées pour préparer de grandes quantités de NDs-H sous forme pulvérulente. La même procédure a été appliquée pour la graphitisation de surface des NDs, en utilisant des recuits sous vide à haute température. L'effet de ces traitements de surface sur les propriétés d'interactions électroniques des NDs a été étudié après exposition à l'air ambiant, puis en dispersion dans l'eau. Ces traitements de surface assurent notamment un potentiel Zeta positif aux NDs, dont l'origine a été discutée. Enfin, les interactions des NDs avec plusieurs lignées de cellules tumorales humaines ont été étudiées et l'efficacité des NDs pour radiosensibiliser des cellules radiorésistantes sous irradiation gamma a été montrée, ouvrant de nouvelles perspectives d'applications des NDs en nanomédecine. .

La première partie de mon travail de thèse a porté sur la discussion des conditions de validité d'un hamiltonien de Heisenberg pour représenter des systèmes à deux électrons célibataires par centre. Un développement perturbatif de l'hamiltonien de Hubbard sous-jacent à ces systèmes nous a permis de montrer les limites de l'hamiltonien de Heisenberg. Nous avons alors proposé un nouvel hamiltonien dont nous avons montré les avantages pour traiter ce type de système. Mon travail a ensuite porté sur l'évaluation des éléments de couplage entre sites magnétiques dans deux composés de métaux de transition. Les résultats de calculs ab initio ont permis de comprendre leur comportement et, dans le cas du NaV2O5, d'expliquer les apparentes contradictions entre différentes expériences. Le premier composé est un complexe moléculaire organique formé autour d'un ion Ni2+ (d8, deux électrons célibataires dans deux orbitales magnétiques dz2 et dx2-y2) qui a dans sa sphère de coordination deux radicaux nitroxydes (un électron célibataire chacun). Ce complexe a été obtenu sous deux formes cristallines très différentes. Dans la phase alpha, les deux nitroxydes sont équivalents et en position trans par rapport au centre de symétrie occupé par l'ion Ni2+. Dans la phase beta, les nitroxydes ne sont plus équivalents et l'angle "nitroxyde-Ni-nitroxyde" est proche de 90 degrés. Alors que la phase alpha présente des couplages antiferromagnétiques entre le nickel et les deux radicaux, la phase beta présente un couplage antiferromagnétique entre le nickel et l'un des deux nitroxydes tandis que le couplage avec l'autre nitroxyde est ferromagnétique. Mon travail a permis de préciser l'importance des différents paramètres géométriques quant aux couplages entre le nickel et les nitroxydes. L'autre système étudié, le NaV2O5, est un système cristallin à valence mixte. Il présente une structure en échelle à deux montants, les barreaux et les montants étant formés d'entités V-O-V. Il est l'un des deux seuls composés inorganiques pour lesquels une transition de type Spin-Peierls a été observée. Cette transition est bien connue théoriquement et a été observée sur des composés organiques où le magnétisme est unidimensionnel. Par contre, elle est beaucoup moins bien connue dans des cas plus complexes de composés inorganiques tels CuGeO3 et NaV2O5. J'ai étudié les structures haute température (au-dessus de la température de transition) et basse température de ce dernier composé. La première étape a consisté à valider le bain que nous avons choisi pour représenter (à coût numérique nul) les effets du reste du cristal sur le fragment étudié (deux vanadiums entourés des oxygènes de leur sphère de coordination). Cette démonstration est basée sur la comparaison entre la structure électronique obtenue sur le fragment immergé et celle obtenue à partir de calculs périodiques. La deuxième étape, une fois établie la validité du bain, a consisté, par une méthode d'interaction de configuration (IC) étendue, de traiter très précisément les effets de corrélation électronique, mécanismes fondamentaux dans les systèmes fortement corrélés. Une analyse détaillée et un traitement poussé, non seulement des écarts d'énergie entre les états du bas du spectre, mais aussi de leur fonction d'onde, a permis une description précise de la structure électronique du composé. L'analyse de ces résultats nous a amené à des conclusions intéressantes et reconnues par la communauté des physiciens du solide, expérimentateurs comme théoriciens. En effet, nous avons remis en cause le modèle t-J jusque-là admis pour représenter le comportement du composé. Nous avons montré que tout modèle réaliste doit prendre en compte explicitement (et non pas uniquement de manière effective) les électrons de l'orbitale pontante des oxygènes des barreaux. Par barreau, ce modèle repose alors sur 3 électrons délocalisés sur 3 orbitales (une pour chacun des atomes de l'entité V-O-V). Ce modèle implique que l'ordre charge et l'ordre de spin qui accompagnent la transition sont des phénomènes différents (bien que liés). Une évaluation de leur intensité nous a alors permis de conclure que l'ordre de charge est faible alors que l'ordre de spin est beaucoup plus grand. Ces résultats ont permis d'expliquer les apparentes contradictions entre expériences sensibles à la charge des électrons (conductivité optique, rayon X) et celles sensibles à leur spin (diffusion inélastique de neutrons, RMN). De plus, de récentes expériences de rayon X ont été menées pour évaluer expérimentalement avec précision l'ordre de charge. Parmi les deux situations permettant d'expliquer les observations, nos calculs ont permis d'en exclure une, l'autre donnant un ordre de charge entre les vanadiums de 0,08e, en bon accord avec nos résultats (0,05e).