Cette thèse présente des modèles bi-dimensionnels stochastiques de physique hors d'équilibre décrivant les mouvements collectifs d'animaux. Le but n'est pas la simulation réaliste mais la compréhension d'un petit nombre d'ingrédients. Dans la première partie, nous étudions la mise en mouvement d'une population uniformément répartie dans l'espace. Deux transitions, ou du second ordre , ou discontinue, sont observées et entièrement caractérisées. Au point de transition, la diffusion est anormale, ce qui nous permet de modéliser une expérience de traceurs passifs dans un bain de bactéries. La seconde partie est dédiée à l'étude des troupeaux, fixes ou mobiles, avec un ordre interne ou sans. Nous définissons chacune des phases par leurs propriétés microscopiques et macroscopiques de cohésion et de diffusion. Ainsi nous montrons que ces modèles autorisent l'existence de troupeaux cohésifs arbitrairement grands sur un espace ouvert et nous dessinons le diagramme des phases associé. Enfin, nous montrons que l'ébranlement des troupeaux déstabilise leur structure interne et produit des formes surprenantes et complexes de petits troupeaux reliés par des filaments.

L'insertion d'objets polymériques dans les solutions de molécules tensioactives conduit à des changements importants des propriétés macroscopiques: modification des constantes élastiques, séparations de phases, augmentation ou diminution de la viscosité. En particulier, le problème de polymères greffés sur des membranes fluides est l'objet d'intenses recherches du fait de ces nombreuses applications industrielles. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les couplages entre conformations de la surface et des macromolécules: quand un polymère est greffé sur une paroi repulsive, certaines configurations autorisées en volume ne sont plus réalisables. La reduction d'entropie du polymère engendre alors une pression non homogène sur la surface. Les calculs peuvent être menés analytiquement pour une chaîne Gaussienne et montrent que le polymère exerce une force sur une région de taille comparable à son rayon de giration. Le problème important du volume exclu est introduit en notant que la pression est proportionnelle à la concentration en monomères au voisinage de la paroi. Cet argument de loi d'échelle est confirmé par des simulations Monte-Carlo, l'effet du volume exclu étant uniquement d'augmenter la portée de la pression. La surface de greffage étant déformable, celle-ci adopte un profil determiné par l'équilibre entre la contrainte appliquée par le polymère et l'énergie de courbure de la membrane. La déformation est d'abord conique au voisinage du point d'ancrage, puis relaxe avec une forme qui dépend des conditions aux limites. Dans le cas où plusieurs chaînes sont greffées, le champ de courbure de la membrane induit alors un potentiel d'interaction entre polymères. Ce potentiel est attractif (resp. répulsif) pour deux polymères ancrés du même côté (resp. du côté opposé) de la membrane. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude du spectre de fluctuations d'une bicouche décorée. Contrairement à ce qu'indiquent les approches de champ moyen, l'integration explicite de tous les degrés de liberté des macromolécules montre que le module de courbure effectif dépend du vecteur d'onde considéré. Finalement, ce résultat est appliqué au calcul de l'exposant de Caillé d'une phase lamellaire décorée.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des propriétés statistiques de chaînes polymères aux interfaces. Il s'agit d'un travail théorique qui a pour but de relier les propriétés macroscopiques de l'interface (épaisseur, quantité de monomères adsorbées, tension de surface) à l'organisation microscopique des chaînes. La couche de polymères est décrite en termes de boucles et de queues formées par les polymères adsorbés, en combinant la physique statistique d'une population de boucles de différentes tailles et les lois d'échelle. Tout d'abord, un lien formel est établi entre cette approche phénoménologique et les premiers principes de la physique statistique des polymères en montrant que cette modélisation est une théorie variationnelle. Puis, cette théorie est appliquée au problème de la tension de surface de liquides polymères (solutions semi-diluées et polymères fondus). Les variations de la tension de surface avec la masse moléculaire des chaînes, la température et la fraction volumique dans la solution sont alors déduites. La comparaison de ces résultats avec des mesures expérimentales de tension de surface, trouvées dans la littérature, met en lumière le rôle de la tensio-activité des bouts de chaînes et celui de l'entropie associée à la distribution des boucles. Cette théorie est ensuite étendue au cas de l'adsorption de polyélectrolytes sur une surface de charge opposée, à partir d'une solution semi-diluée. La structure de la couche est décrite analytiquement et l'existence d'une couche extérieure formée de grandes boucles induit une inversion de charge. Enfin, sont abordées la question de l'influence de la géométrie concave sur la structure d'une brosse de polymères et l'étude des connecteurs polymères mobiles. Les propriétés adhésives des jonctions formées par ces derniers dépendent alors fortement de la géométrie des objets connectés et des caractéristiques des polymères.

Ce mémoire d'habilitation traite de méthodes de diffraction des rayons X appliquées à l'étude des instabilités structurales, les ordres locaux et les transitions de phases structurales dans des matériaux de basse dimensionalité et les composés moléculaires.

Notre travail a porté sur différents cristaux liquides minéraux, et principalement sur les suspensions aqueuses de goethite. Après les avoir caractérisées, nous avons démontré qu'elles forment une phase nématique, et décrit la transition isotrope-nématique grâce aux modèles de la littérature. La phase isotrope présente trois propriétés originales sous champ magnétique : un ordre paranématique très élevé, une composante dipolaire de l'ordre orientationnel non nulle et le changement d'orientation de la phase suivant la valeur du champ (parallèle à un champ statique faible, mais perpendiculaire à un champ fort). Nous avons déterminé le paramètre d'ordre nématique par des mesures de biréfringence ainsi que par diffusion des rayons X aux petits angles, et le paramètre d'ordre dipolaire par des mesures d'aimantation. Nous avons interprété et modélisé le changement d'orientation comme la compétition entre un moment magnétique longitudinal indépendant du champ (probablement dû à des spins non compensés en surface), et le moment magnétique induit par le champ (anisotropie magnétique négative). Le premier domine à champ faible, le second à champ fort. Sous ces hypothèses, l'orientation est toujours perpendiculaire sous un champ de fréquence élevée, ce que nous avons observé. Le modèle donne des résultats en accord avec les mesures. Puis nous avons étudié les propriétés de la phase nématique sous champ magnétique. Le seuil de Frederiks est très bas, et l'ordre nématique extrêmement élevé. Les particules basculent perpendiculairement au champ magnétique lorsqu'il croît, par une seconde transition de Frederiks, formant un domaine nématique biaxe. A champ encore plus élevé se forme un cristal colloïdal bidimensionnel de groupe d'espace c2mm. On observe la même phase en champ nul à forte concentration. Enfin, nous incluons nos publications, sur les suspensions de goethite, de plans covalents rigides de H3Sb3P2O14, de polymères flexibles de NaNb2PS10 et de plaquettes de laponite.

Nous étudions principalement les propriétés dynamiques dans le verre de spin quasi-Ising métallique FexTiS2 où les atomes de fer sont insérés par intercalation dans une structure en feuillets. Des mesures d'aimantation statique au SQUID et de caractérisation structurale par diffraction de rayons X (diagramme de poudre, affinement Rietveld) sont présentées afin de comprendre le diagramme de phase. Nous étudions la forme de la relaxation de spin en fonction de la température et de la concentration d'impuretés x. L'intérêt de travailler avec ce type de matériau très anisotrope est de se placer dans les conditions proches des modèles théoriques et des simulations numériques. Ceux-ci, en dessous de la température de gel Tg et à T = Tg, montrent une relaxation de forme algébrique. Afin de sonder la dynamique au-dessus de Tg, nous utilisons les techniques de spectroscopie de dépolarisation de muons (mSR) (pour x = 2, 3 et 5 %) et d'écho de spin de neutrons (NSE) (x = 20 et 36 %). Ces deux procédés d'investigation ensemble donnent accès à une fenêtre de temps qui va de la nanoseconde à la microseconde. Ils révèlent un caractère quasi-statique et une dynamique lente des spins sur une plage importante de température au-dessus de Tg. La forme de la fonction d'autocorrélation dynamique spin-spin q(t) est déterminée grâce à un modèle de dépolarisation de muons. L'analyse des spectres expérimentaux s'appuie sur la comparaison avec les courbes provenant de calculs numériques basés sur ce modèle ainsi que sur les ajustements effectués. Les résultats sont cohérents avec une l'existence fonction q(t) suivant la forme d'Ogielski. Le comportement thermique des paramètres microscopiques est en accord avec les simulations d'Ogielski sur des systèmes Ising 3D. Nous constatons une différence qualitative de la dynamique entre ce composé quasi-Ising et les composés Heisenberg AuFex et AgMnx. Pour ce dernier, l'observation des spectres de dépolarisation indique une relaxation quasi algébrique.

Dans la première partie de cette thèse nous étudions la propagation du son dans les mousses. Nos expériences montrent que la vitesse et l'absorption du son varient lors du vieillissement des mousses en raison de l'évolution de leur structure. Pour expliquer la variation de vitesse nous montrons qu'il faut prendre en compte l'élasticité du squelette liquide. Nous montrons également que l'atténuation du son est très importante et qu'elle est dominée par la dissipation thermique aux interfaces gaz-liquide. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons à l'importance relative des non-linéarités acoustiques aux interfaces par rapport à celles engendrées en volume. Nous étudions pour cela la diffusion d'une onde acoustique par une surface oscillante et caractérisons deux régimes: l'un où le spectre de l'onde diffusée résulte principalement de l'effet Doppler à l'interface, et l'autre où les non-linéarités de volume sont dominantes. Nous montrons également qu'il est possible d'utiliser le décalage Doppler pour mesurer avec précision l'amplitude d'oscillation d'un diffuseur. La dernière partie de ce travail concerne l'étude des non-linéarités acoustiques de volume dans CO2 au voisinage du point critique (PC). Dans une première série d'expériences, nous mettons en évidence leur augmentation au voisinage du PC à l'aide de deux techniques différentes: la résonance non-linéaire d'un mode de cavité et le mélange non-linéaire de deux ondes de haute fréquence. Nous présentons ensuite une étude expérimentale de la diffusion du son par le son sous un angle non-nul, qui nous permet de montrer que le paramètre non-linéaire acoustique de CO2 peut augmenter d'un facteur 100 au voisinage du PC.

La nature utilise des liaisons faibles (liaisons hydrogène, liaisons par chélation, etc.) pour assurer la cohésion d'édifices macromoléculaires (structure tertiaire des protéines, double hélice de la molécule d'ADN, etc.) et permettre la formation de structures transitoires qui nécessitent d'être créées et détruites rapidement (complexes récepteur-ligand, complexes ion-acide aminé, etc.). Les énergies de ces liaisons sont relativement peu connues notamment en raison du nombre important d'interactions agissant en parallèle. Une méthode permettant de les évaluer consiste à réaliser une mesure d'adhésion entre deux surfaces portant les groupes fonctionnels appropriés isolés de leur environnement naturel. Nous avons utilisé un lipide dont la tête polaire est constituée du groupement NTA, qui est capable de former des liaisons hydrogène et qui, dans certaines conditions physico-chimiques, peut fixer un ion nickel et former ainsi une liaison par chélation. Diverses mesures de forces ont été réalisées à l'aide de la technique SFA entre des bicouches de lipide NTA ou NTA-Ni. Des expériences réalisées dans l'eau pure ont permis de mesurer l'énergie d'une liaison hydrogène: environ 1 kBT. Des mesures de forces réalisées dans le Tris et confirmées par des mesures d'adhésion entre vésicules fonctionnalisées ont conduit à une estimation de l'énergie d'une liaison par chélation: environ 2 kBT. Le lipide NTA-Ni a également été utilisé comme un outil permettant de fixer des récepteurs his-tagués des rétinoïdes sur les surfaces d'étude du SFA. Nous avons utilisé un lipide dont la tête polaire contenait un rétinoïde synthétique et réalisé une mesure de forces entre une monocouche de ce lipide rétinoïde et une monocouche de lipide NTA-Ni portant les récepteurs. Des mesures de forces ont également été effectuées entre deux monocouches de lipide rétinoïde; elles ont mis en évidence de très grandes énergies d'adhésion dues à l'effet combiné des forces hydrophobes et des liaisons hydrogène.

La question de l'existence d'une réelle transition de phase entre l'état paramagnétique et l'état verre de spin est une question qui a été débattue pendant de nombreuses années. Il semble dorénavant admis que le gel des spins à basse température ne se fasse pas de façon progressive, et l'existence d'une véritable transition à T9. finie est communément acceptée, mais de nombreuses questions subsistent: comment expliquer la réalité de cette transition observée expérimentalement dans les systèmes réels alors que théorie et simulations numériques prévoient une transition à température nulle pour des systèmes Heisenberg en dimension 3? Comment expliquer, si l'on admet l'existence de cette transition de phase, les valeurs si dispersées des exposants critiques qui lui sont associés, lorsqu'ils sont mesurés sur des systèmes différents, mais appartenant à la même classe d'universalité ? Une autre question non encore résolue est celle de l'existence ou non d'une phase verre de spin sous champ magnétique. Les théories de champ moyen prédisent que l'ordre verre de spin subsiste lorsque l'on applique un champ magnétique, alors que le modèle des gouttelettes prévoit que l'application d'un champ magnétique le détruit. Les expériences n'ont jusqu'ici toujours pas donné de réponse claire à cette question. Récemment Hikaru Kawamura a proposé une théorie qui semble expliquer certaines des caractéristiques peu usuelles de la transition verre de spin. Il considère que la mise en ordre verre de spin est chirale. Un ordre chiral n'a pas de signature expérimentale simple, mais en présence d'un couplage avec les spins de type Dzialoshinsky-Moriya (DM, il donnerait lieu au gel effectif des spins observé expérimentalement. Dans le cadre de son modèle, Kawamura prédit des exposants critiques qui prendraient des valeurs caractéristiques d'une transition chirale à la limite d'une interaction DM faible, et d'une transition de type Ising dans le cas d'interactions DM fortes. Ce modèle prévoit de plus l'existence d'une phase verre de spin sous champ magnétique. Le travail qui est présenté dans cette thèse est centré sur l'étude expérimentale de la phase basse température des verres de spin Heisenberg en dimension 3, et plus particulièrement sur le rôle joué par l'anisotropie aléatoire dans ce type de systèmes. Le principal outil expérimental de ce travail est la mesure du couple magnétique en fonction du champ et de la température. Cette technique qui s'est avérée très puissante, n'avait jusqu'alors été appliquée aux verres de spin que pour des champs assez faibles (1 T). La gamme de champ que nous avons pu ici étudier à l'aide de cette technique s'étend jusqu'à 4 T. Le premier chapitre de la thèse est une courte introduction aux systèmes verres de spin dans laquelle leurs principales caractéristiques expérimentales sont exposées. Dans le second chapitre sont présentés les fondements et implications des deux principaux modèles des verres de spin, à savoir le modèle de champ moyen et le modèle des gouttelettes. Le troisième chapitre est consacré à l'exposition du modèle de la transition chirale. Les différentes techniques expérimentales utilisées dans ce travail sont présentées dans le quatrième chapitre. Le principal outil expérimental utilisé dans ce travail est un dispositif de mesure de couple magnétique spécialement mis au point pour l'étude de ce type de systèmes. Des mesures d'aimantation classiques ont aussi été réalisées à l'aide d'un magnétomètre à SQUID. C'est dans le chapitre cinq que sont exposés les résultats des mesures de couple magnétique effectuées sur cinq échantillons verre de spin: le CuMn 3%, l'Ag 3%, le CdCri 1.7In0.3.S4, l'AuFe 8% et le (Fe 0.1,Ni 0.9)75Pl6B6AI3. Ces systèmes sont bien connus et déjà très bien caractérisés expérimentalement. Ce chapitre est lui-même divisé en cinq parties: après les deux premières dans lesquelles est exposé le principe des mesures de couple, une troisième partie montre comment cette technique nous a permis d'estimer la force de l'énergie d' anisotropie de ces différents systèmes. La quatrième partie de ce chapitre est centrée sur la détermination du diagramme de phase dans le plan (HT) de ces mêmes composés par des mesures de couple et des mesures d'irréversibilité longitudinale. La forme des diagrammes de phase évolue avec la force de l'anisotropie, comme prévu par les théories de champ moyen pour des systèmes Heisenberg avec anisotropie aléatoire, et les résultats obtenus pour les trois systèmes à plus faible anisotropie, à savoir le CuMn, l'AgMn et le CdCr l.7In 0.3S4, sont en très bon accord avec les prédictions du modèle de la transition chirale. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à l'étude de la relaxation du couple dans la phase basse température. Cette relaxation est lente et non exponentielle. Elle a été systématiquement mesurée pour tous les échantillons jusqu'à 1000 secondes après avoir tourné le champ magnétique, et dans cette fenêtre de temps, elle est purement algébrique: G(t)a t-a. Le taux de relaxation a, seule quantité qui permette de caractériser la rigidité de l'état verre de spin en l'absence de temps caractéristique, est très peu dépendant du champ magnétique sur une gamme assez large de champ. La conclusion principale de ce chapitre est que l'état verre de spin n'est pas détruit par l'application d'un champ magnétique, contrairement à ce que prévoit le modèle des gouttelettes et en accord avec le modèle de champ moyen et le modèle de la transition chirale. Le sixième chapitre est consacré à la présentation des résultats obtenus sur les exposants critiques de ces cinq systèmes. Nous avons mesuré pour le CuMn 3%, l'AgMn 3%, l'AuFe 8% et le Fe0.1,Ni0.9)75Pl6B6AI3 les exposants critiques d, g et b en utilisant la même définition de Tg (exposée dans le cinq ème chapitre), le même critère pour définir la taille de la région critique, ainsi que le même protocole expérimental. Les résultats obtenus avec les mêmes critères par Vincent et. al [1] sur le CdCr l.7In0.3S4 sont repris. La variation des exposants critiques avec le système étudié n'est pas un artifice expérimental: les verres de spin violent bel et bien les règles d'universalité. La conclusion majeure de ce chapitre est que les valeurs des exposants critiques varient de façon continue entre des valeurs proches des valeurs mesurées pour la transition chirale pure pour les systèmes à plus faible anisotropie, et des valeurs de plus en plus proches des valeurs de type Ising 3D à mesure que la force de l'anisotropie aléatoire augmente. Ce dernier chapitre est suivi de trois annexes dans lesquelles le détail des mesures des exposants critiques de l'AgMn, du CuMn et du Fe0.1,Ni0.9)75Pl6B6AI3 est présenté.

Un matériau granulaire confiné dans une colonne s'appuie sur les parois de celle-ci pour s'opposer aux forces extérieures qu'il subit. Il en résulte un couplage entre propriétés mécaniques du matériau et propriétés de surface de la colonne. L'étude de ce couplage constitue l'objet de cette thèse. Dans une première expérience, nous avons étudié le poids exercé par un milieu granulaire constitué de billes à la base d'une colonne. Nous avons défini une procédure expérimentale telle que le matériau est au seuil de glissement en tout point aux parois. Le poids mesuré sature avec la hauteur de billes ; la masse de saturation se met à l'échelle avec le rayon au cube, et diminue lorsque la densité et la friction aux parois augmentent. Lorsqu'on ajoute un surpoids à la surface supérieure du milieu granulaire, on observe un maximum, suivi d'une lente décroissance de la masse pesée en fonction de la masse versée. Ce maximum est plus élevé lorsque la densité et la friction aux parois augmentent. Les résultats obtenus sont comparés à différentes théories mécaniques des matériaux granulaires. Le modèle de Janssen décrit parfaitement le matériau granulaire non contraint par un surpoids. Mais l'ajout d'un surpoids met en défaut ce modèle, ainsi que le modèle OSL et l'élasticité homogène isotrope, même si cette dernière reproduit qualitativement tous les phénomènes observés. Dans une deuxième expérience, nous avons poussé la colonne granulaire vers le haut. La force de résistance à la poussée croît alors exponentiellement avec la hauteur de billes, ce que nous expliquons par le modèle de Janssen adapté à la poussée. A basse vitesse, nous observons un mouvement de « stick-slip », caractérisé par une force maximale de résistance à la poussée avant glissement qui croît fortement lorsque la vitesse décroît et lorsque l'humidité augmente. Nous expliquons ce phénomène par un vieillissement de la friction statique aux parois. A haute vitesse, nous observons une transition hystérétique vers un régime de glissement continu caractérisé par une force de résistance qui croît avec la vitesse et le taux d'humidité. Les phénomènes observés sont différents lorsqu'on change le matériau de la colonne, ce qui prouve l'influence primordiale des parois sur les effets observés. La mesure directe du coefficient de friction bille-paroi permet de retrouver les phénomènes observés. La poussée d'un système de billes de verre polydisperses dans une colonne en PMMA révèle un stick-slip régulier à très basse vitesse, qui devient irrégulier à plus haute vitesse, la distribution des glissements s'élargissant vers les petites valeurs.