Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'élasticité d'une molécule d'ADN simple brin à l'aide de pinces magnétiques. Les modèles de polymères idéaux ne rendent pas bien compte de l'élasticité de cette molécule, alors qu'ils décrivent très bien l'ADN double brin. Nous avons donc étudié expérimentalement l'élasticité d'une molécule simple brin dans différentes conditions salines, i.e. d'écrantage de charges, et dans des conditions modulant les interactions internes du polymère. En utilisant des conditions dénaturantes, nous avons pu séparer les effets des différentes interactions intramoléculaires et ainsi mieux caractériser leur importance respective pour décrire l'élasticité de la molécule. Il est ressorti de ces mesures qu'une description complète de l?ADN simple brin doit prendre en compte d'une part la formation de structures secondaires à basses forces, et d'autre part les effets de volume exclu: contrairement au double brin, le simple brin est tellement flexible que les répulsions électrostatiques dues aux groupements phosphates le long de la chaîne ne peuvent plus être négligées. Des simulations numériques prenant en compte ces deux effets sont en excellent accord avec nos observations expérimentales. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons étudié l'activité de deux hélicases à l'échelle de la molécule unique. Les hélicases sont des moteurs moléculaires qui catalysent la séparation des deux brins de la double hélice d?ADN, permettant ainsi l'accès aux bases individuelles formant le code génétique. Dans notre expérience, une unique molécule d'ADN double brin était immobilisée par pinces magnétiques et son extension mesurée avec une précision de 10 nm. Ceci nous a permis de suivre l'activité des hélicases, puisque celles-ci provoquent un changement de l'extension de la molécule lorsque le double brin est converti en simple brin. Cette méthode présente l'avantage de permettre l'observation en temps réel de l'activité d'une seule protéine. L'analyse statistique des données nous a permis d'accéder aux distributions complètes de vitesse et de processivité des enzymes. Nous avons ainsi caractérisé le comportement dynamique d?hélicases uniques (leur vitesse, leur processivité, leur coopérativité et leur pas élémentaire sur l'ADN). Le suivi en temps réel de l'activité des hélicases nous a permis d'observer une instabilité dans leur mode d'ouverture, et ainsi de rendre compte de mesures de vitesse obtenues en volume.

Cet exposé aborde le problème de la compaction granulaire par différentes approches complémentaires. Cette densification lente d'un empilement de grains sous sollicitations répétées s'inscrit dans le cadre d'une analogie conceptuelle avec les systèmes vitreux. Nous développons tout d'abord une modélisation numérique capable de simuler cette relaxation lente et de retrouver toute la phénoménologie expérimentale. Cet outil offre en particulier la possibilité d'une analyse statistique de l'espace des pores et de son évolution. Grâce à des dispositifs expérimentaux variés, nous avons mené une étude détaillée de l'effet de secousses verticales sur un empilement de billes. L'effet à court terme est observé à travers la réponse dynamique à une seule secousse. A l'échelle de l'empilement, la dissipation se révèle quasiment instantanée tandis qu'au niveau plus local, de petits événements sont observés sur des temps beaucoup plus longs. Pour des séquences de secousses sur le long terme, les empilements statiques étudiés relaxent lentement vers un état stationnaire final. Cette densification est très bien approchée par une loi fréquemment utilisée pour décrire la relaxation des systèmes vitreux. Une relation de type Arrhenius relie le temps caractéristique de compaction et l'accélération des secousses qui joue ici un rôle équivalent à une température. Parallèlement à la compaction, une convection d'ensemble est observée et, bien que très limitée, elle peut avoir des conséquences notables aux temps longs. De façon générale, une augmentation du frottement aux parois ou une diminution de l'écartement latéral ralentissent la dynamique de la compaction comme de la convection. Par ailleurs, les deux phénomènes continuent de se manifester au-dessous du seuil de décollage de l'empilement. De petits événements localisés peuvent donc, à terme, amener à une restructuration globale très nette.

Grand nombre des propriétés des alliages dépend de la structure et de la composition chimique des défauts. Dans ce contexte, nous avons étudié la ségrégation interfaciale d'un système présentant une forte démixtion en volume et une tendance à ségréger en surface (i.e. Cu/Ag), par simulations Monte Carlo avec déplacements et un modèle d'Ising effectif sur réseau rigide. Les interfaces considérées sont le joint de grains de flexion Sigma=5 (310) <001> ainsi que les surfaces (001) et (310). Les résultats obtenus en Monte Carlo pour le joint de grains montrent l'existence d un composé ordonné bi-dimensionnel dans le plan du joint... dans un système à tendance à la démixtion ! Pour la surface (001), nous montrons l'apparition d une surstructure cristallographique illustrant le couplage complexe entre ségrégation et modification structurale. L analyse par le modèle sur réseau rigide nous a permis de déterminer les forces motrices de ségrégation intergranulaire et superficielle. Le couplage des deux méthodes a mis en évidence le rôle important de l'entropie vibrationnelle dans la ségrégation intergranulaire, alors qu'elle peut être négligée pour la ségrégation superficielle. L'évaluation de l'entropie vibrationnelle de ségrégation doit tenir compte des couplages entre vibrateurs premiers voisins (le modèle d Einstein ne pouvant donc être utilisé) et de la dilatation thermique différentielle à proximité du joint de grains. Nous avons alors utilisé l'approche analytique pour déterminer les isothermes de ségrégation intergranulaire. Nous avons ainsi mis en évidence une transition de phase du premier ordre à caractère multicouche. Un comportement identique est obtenu pour la surface (310), les interactions inter-plan étant à l'origine de ces transitions. Cet aspect multicouche de la ségrégation intergranulaire a été confirmé par des simulations Monte Carlo montrant de plus l'apparition d un phénomène de mouillage, le joint de grains initial se scindant en deux interfaces séparées par une phase métastable.

L'objet de cette thèse est l'étude de diverses propriétés d'apprentissage à partir d'exemples par des méthodes de Physique Statistique, notamment, par la méthode des répliques. Des tâches supervisées, correspondant à la classification binaire de données, ainsi que des tâches non supervisées, comme l'estimation paramétrique d'une densité de probabilité, sont considérées. Dans la première partie, une approche variationnelle permet de déterminer la performance de l'apprentissage optimal d'une direction d'anisotropie, et de déduire une fonction de coût permettant d'obtenir ces performances optimales. Dans le cas de l'apprentissage supervisé d'une tâche linéairement séparable, des simulations numériques confirmant nos résultats théoriques ont permis de déterminer les effets de taille finie. Dans le cas d'une densité de probabilité constituée de deux gaussiennes, la performance de l'apprentissage optimal présente de nombreuses transitions de phases en fonction du nombre de données. Ces résultats soulèvent une controverse entre la théorie variationnelle et l'approche bayesienne de l'apprentissage optimal. Dans la deuxième partie, nous étudions deux approches différentes de l'apprentissage de tâches de classification complexes. La première approche considérée est celle des machines à exemples supports. Nous avons étudié une famille de ces machines pour laquelle les séparateurs linéaire et quadratique sont deux cas particuliers. La capacité, les valeurs typiques de la marge et du nombre d'exemples supports, sont déterminées. La deuxième approche considérée est celle d'une machine de parité apprenant avec un algorithme incrémental. Cet algorithme construit progressivement un réseau de neurones à une couche cachée. La capacité théorique obtenue pour l'algorithme considéré est proche de celle de la machine de parité.

Cette thèse présente une étude de films monomoléculaires d'acides gras à l'interface eau-air, principalement par microscopie à l'angle de Brewster. Cette technique permet l'observation directe des coexistences de phases lors de transitions de phases du premier ordre; de plus elle est sensible à l'anisotropie optique des films. La première partie contient une étude du diagramme de phase des acides gras, qui comporte des mésophases analogues aux phases de cristaux liquides smectiques. Nous avons montré que lors des transitions de phases entre phases denses, la texture (l'arrangement moléculaire)des phases est réversible et nous avons obtenu des informations sur l'ordre des transitions. Nous avons aussi mis en évidence, dans deux phases constituées de molécules verticales, une très faible anisotropie optique due à la forme rectangulaire du réseau moléculaire. Nous avons ensuite étudié une film d'acide myristique adsorbé à la surface d'une solution aqueuse d'acide myristique. Nous avons observé des domaines d'une mésophase "inclinée" contenant des lignes de défauts d'orientationmoléculaire présentant des fluctuations thermiques. La mesure de leur amplitude a permis de déterminer la tension de ces lignes. Nous nous sommes aussi intéressés aux constantes élastiques qui gouvernent la forme et la texture à l'équilibre des domaines de mésophase. Nous avons d'une part déterminé la tension de ligne de l'interface entre une phase liquide et une mésophase "inclinée" en étudiant la forme des domaines. Celle-ci résulte de l'équilibre entre la tension de ligne, qui favorise des domaines circulaires, et les interactions répulsives à longue portée entre dipoles moléculaires, qui forment les domaines. Des mesures de potentiel de surface ont permis de calculer l'intensité des forces dipolaires. d'autre part, la texture d'autre domaines de cette mésophaseinclinée nous a renseigné sur la valeur du rapport entre l'élasticité de courbure de la direction moléculaire et l'anisotropie de la tension de ligne.

La microscopie à l'angle de Brewster est une nouvelle et tres puissante technique d'étude des films monomoléculaires à la surface de l'eau. Son principe est basé sur les propriétés de réflectivité des interfaces. Elle est sensible à l'épaisseur, la densité et l'anisotropie optique des films. Cette technique a été appliquée à l'étude de couches adsorbées à la surface de solutions aqueuses d'acides gras (acides palmitiques et myristiques). Ces couches traversent pendant leur formation des transitions de phases. Le nombre, la nature et la morphologie de ces phases dépendent de nombreux paramètres dont le pH. Nous avons entre autres observé des phases optiquement anisotropes, contituées de molécules inclinées par rapport à la normale à la solution.Ces phases sont sans doute des mésophases "verrouillées", c'est à dire que la direction des molécules est fixée par rapport aux directions intermoléculaires. Elles présentent différents types de défauts d'orientation, dont des structures en étoile. L'existence de telles structures est expliquée par application d'un modèle d'élasticité continue développé pour l'étude des films minces de cristaux liquides smectiques. Des structures en zig-zag, en spirales et en bandes de largeur déterminée ont également été observées. Nous avons également étudié les couches d'un polymère (le PDMS) à la surface de l'eau. Nous y avons observé la séparation latérale en domaines de densités de surface différentes, à la fois dans le régime monocouche et le régime multicouches.

En focalisant une onde sonore intense dans un liquide ultra-pur, nous avons étudié la cavitation homogène, c'est-à-dire la dépression limite au delà de laquelle ce liquide devient intrinsèquement instable au profit de sa vapeur. Il existe deux liquides particulièrement purs, parce qu'ils sont plus froids que tous les autres, l'hélium 4 et l'hélium 3. Les propriétés de ces deux liquides sont si bien connues que la théorie a permis de calculer les " limites spinodales " près desquelles la cavitation doit avoir lieu : -9,5 bar pour l'hélium 4 et -3,1 bar pour l'hélium 3. Grâce à une étude en pression, nous avons montré que la cavitation avait bien lieu dans l'hélium 4 entre -8 et -10,5 bar et dans l'hélium 3 entre -2,4 et -2,9 bar. Par ailleurs, une étude précédente avait montré que, dans l'hélium 4, il existe une transition entre un régime classique (où la cavitation est aléatoire et dépend de la température ; en effet, la nucléation des bulles résulte du passage au dessus d'une barrière d'énergie sous l'effet des fluctuations thermiques) et un régime quantique (où la nucléation a lieu par effet tunnel à travers la barrière). En réalisant pour la première fois les mesures sur l'hélium 3, nous avons découvert qu'il n'existait pas de transition vers un régime de cavitation quantique à la température prévue ; au contraire la pression de cavitation devient brusquement plus négative à 40 mK. Nous avons alors proposé l'interprétation suivante : à basse température, l'hélium 3 est un " liquide de Fermi " où seule l'énergie des fluctuations de grande longueur d'onde diminue lorsqu'on s'approche de la limite spinodale ; celle des fluctuations de courte longueur d'onde reste élevée en raison de l'existence d'une rigidité quantique responsable du " son zéro ". Pour que la nucléation des bulles ait lieu à basse température, il faut donc amener l'hélium 3 beaucoup plus près de sa limite spinodale qu'on ne le croyait jusqu'à présent, afin que la taille du germe critique soit grande.

Ce mémoire traite de la rhéophysique des fluides complexes et, plus particulièrement, de l?étude des transitions dynamiques de structure et de texture induites par le cisaillement. Le système étudié contient 7% d?un tensioactif anionique possédant une double chaîne aliphatique (AOT), une quantité variable de sel (0

Le systeme bidimensionnel etudié dans cette thèse est un film de Langmuir, film constitué d'une unique couche de molécules amphiphiles à l'interface eau-air. Une transition du premier ordre, observée dans une monocouche d'acide NBD-stéarique révèle la coexistence entre une phase cristalline et une phase liquide. Les domaines monocristallins se présentent sous la forme de longs bâtonnets, parfaitement adaptés aux études mécaniques. Nous étudions certaines propriétés de ce cristal bidimensionnel. La première étude concerne la rupture de ce solide bidimensionnel. Un cristal maintenu fléchi dans le plan de l'eau se rompt après une durée bien déterminée. Cette durée s'est avérée être fonction de la déformation appliquée au cristal. A fortescontraintes, on second mode de rupture coexiste : un certains nombre de cristaux cassent intantanément tandis que d'autres présentent une rupture différée. La seconde étude s'intéresse à la fusion des cristaux en équilibre avec leur phase liquide. La fusion peut être provoquée par trois processus distincts : deux processus thermodynamiques (réchauffement et décompression) et un processus photochimique. Ce dernier s'est avéré dû à une réaction photochimique réversible avec l'oxygène de l'air, conduisant a l'abaissement du point de fusion du cristal. Les trois processus de fusion conduisent à des observations similaires, indiquant ainsi l'existence d'un mécanisme commun dans l'initiation de la fusion. Les observation montrent que l'intérieur du crystal fond bien avant ses bords. De plus, la fusion d'un cristal maintenu déformé a lieu le long d'une ligne ou la contrainte s'annule. Nous suggérons que le mécanisme responsable de ce phénomène est la migration de défauts, probablement des dislocations, à l'endoit du cristal non déformé.; Ces défauts jouant le rôle de centres de nucléation de la fusion. Ces résultats montrent le rôle primordial des défauts dans la fusion à deux dimension.

Cette thèse porte sur la méthode de Monte-Carlo ainsi que sur des applications de cette méthode à la physique statistique. La première partie concerne l'étude de la transition de phase liquide-solide à deux dimensions. La nature de cette transition est un problème de la physique statistique qui a longtemps été débattu, et en particulier pour le modèle fondamental des disques durs. Dans le but de traiter ce problème, nous avons développé l'algorithme de Monte-Carlo dit ''event-chain''. Notre analyse numérique montre que la transition se déroule en deux étapes: en augmentant la densité, le système passe de manière discontinue d'une phase liquide à une phase dite hexatique, puis de manière continue à une phase solide par une transition de type Kosterlitz-Thouless. Ces résultats posent une nouvelle base théorique aux expériences sur les solides bidimensionnels. La deuxième partie concerne les algorithmes d'échantillonage parfait utilisant la méthode ''Coupling from the past''. Ces algorithmes de Monte-Carlo permettent d'échantillonner des systèmes selon la distribution exacte désirée, ce qui supprime le problème de la connaissance du temps de thermalisation d'une chaîne de Markov. Cette méthode s'est avérée inefficace pour des systèmes physiques où elle serait utile: les verres de spins à basse température, ou les sphères dures à haute densité par exemple. Nous avons étudié différents algorithmes exacts pour ces systèmes. Les résultats obtenus montrent que cette limitation est due aux transitions vers le chaos des chaînes de Markov, ces transitions étant d'origine dynamique et non thermodynamique.