Avec l'évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d'intégration et d'utilisation à moindre coût énergétique, l'étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d'objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d'approfondir nos connaissances de l'interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d'expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d'étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l'interaction lumière-matière au sein d'objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilisé. La seconde partie est dédiée à l'étude de l'interaction d'une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l'étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l'obtention d'un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L'étude complète des modes propres et de l'excitation optique de cette structure a permis de connaître avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l'étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l'analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter.

Dans cette thèse nous nous intéressons à l'étude des interactions élasto-capillaires. Souvent négligeable à grande échelle, la tension de surface d'un liquide devient considérablement importante à petite échelle, et elle peut engendrer une déformation d'un solide suffisamment souple. Elle peut induire en particulier une flexion sur une structure élancée (tige, lamelle) ou très fine (plaque). Ce type d'interaction a souvent été traité de manière statique ou quasi-statique. Nous présentons ici l'une des premières études de dynamique élasto-capillaire, concernant le problème de repliement d'une membrane élastique induit par l'impact d'une goutte. Nous montrons que le repliement dynamique est possible, ce qui permet d'obtenir très rapidement une forme 3D stable. Nous montrons aussi que le rôle de la vitesse peut être exploité pour sélectionner la forme finale du système goutte-membrane. Après avoir défini une expérience-modèle 2D, nous présentons deux approches qui permettent de prédire avec précision le comportement du système expérimental. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'interaction d'un ménisque liquide avec une lamelle élastique, problème où interagissent élasticité, capillarité et pression hydrostatique. Nous décrivons le comportement à l'équilibre du système et présentons une technique pour prédire l'apparition d'instabilité. Ce problème présente une forte analogie avec le flambage de poutre à la surface d'un liquide : nous montrons comment cette analogie peut être utilisée pour généraliser la solution analytique du problème de flambage, récemment découverte, vers une famille continue de solutions d'équilibre.

Une série de chiroporphyrines bridées et leurs complexes métalliques, dans lesquels les substituants méso adjacents, dérivés du biocartol, sont liés deux à deux par une bride de n groupements méthylènes, a été préparée. Ces composés peuvent exister sous la forme de quatre atropoisomères (alpha-alpha-alpha-alpha, alpha-beta-alpha-beta, alpha-alpha-alpha-beta ou alpha-alpha-beta-beta) suivant que les substituants méso sont orientés au-dessus (alpha) ou en dessous (beta) du plan moyen de la porphyrine. Nous avons caractérisé la conformation de ces porphyrines chirales à l'aide de plusieurs techniques spectroscopiques : résonance magnétique nucléaire du proton, dichroïsme circulaire électronique, et dichroïsme circulaire vibrationnel. Ces deux dernières techniques se sont révélées particulièrement utiles pour la caractérisation conformationnelle des métallochiroporphyrines paramagnétiques. La chiroporphyrine comportant les brides les plus courtes (n = 8), ainsi que son complexe de zinc, peuvent être isolés à l'état solide sous la forme de l'atropoisomère alpha-alpha-alpha-alpha mais en solution ils sont soumis à des équilibres conformationnels aboutissant à des distributions d'atropoisomères qui dépendent fortement du solvant et de la concentration. L'addition de pipéridine en position axiale sur le complexe de zinc a une influence importante sur la distribution des atropoisomères. Inspirés par cette remarquable flexibilité conformationnelle, nous avons tenté de contrôler la forme moléculaire de quelques complexes métalliques dans cette série par plusieurs méthodes. Nos résultats démontrent qu'il est possible d'induire des changements conformationnels de grande ampleur (alpha-alpha-alpha-alpha ↔ alpha-beta-alpha-beta) dans les complexes de nickel(II) et de manganèse(II/III) par application d'un signal chimique ou rédox qui modifie l'occupation de l'orbitale stéréochimiquement active 3dx2-y2. Les basculements conformationnels observés sont réversibles. La bistabilité moléculaire que nous avons mise en évidence dans ces systèmes est potentiellement intéressante pour la conception de dispositifs nanoélectroniques tels que les mémoires moléculaires non volatiles.

Prédire la statistique des grandes échelles des écoulements turbulents constitue un enjeu important. Pour l'équation d'Euler 2D et des modèles analogues d'écoulements géophysiques, une auto-organisation est observée (formation de cyclones/anticyclones, jets intenses). La mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels s'est avérée fondamentale et pertinente même en présence de forçage et dissipation, dans la limite inertielle. La thèse est motivée par le phénomène de transitions aléatoires entre deux topologies différentes, lié à une bistabilité. Il s'agit de prédire la multiplicité des équilibres d'un écoulement (quasi) bidimensionnel. On développe une classification des transitions de phase, pour des équilibres (statistiques et/ou dynamiques) d'un tel écoulement. Les diagrammes de phase font apparaître la présence générique de points critiques et tricritiques, et des domaines d'inéquivalence d'ensembles statistiques. Dans le cas d'une géométrie annulaire, on décrit les effets de la topographie et de la conservation de deux circulations. Des analogies avec la bistabilité du courant océanique Kuroshio sont proposées à partir de cette étude académique. Enfin, pour le système Euler 2D, on détaille un résultat de mécanique statistique dans l'ensemble énergie-enstrophie : la distribution microcanonique, construite à partir du théorème de Liouville en dimension finie, correspond à la maximisation d'une entropie de mélange de la vorticité. / A most challenging problem in turbulence is to predict the statistics of flows at the large scales. In the case of the 2D Euler equation and analogous models for geophysical flows, the flow is observed to self-organize: cyclones/anticyclones and intense jets form. Equilibrium statistical mechanics has proven to be fundamental and relevant even in the presence of forcing and dissipation, in the inertial limit. The thesis is motivated by the phenomenon of random transitions between two different topologies. This phenomenon implies bistability. The goal is to predict the multiplicity of equilibria for a (quasi) two-dimensional flow. We develop a classification of phase transitions for the (statistical and/or dynamical) equilibria of this flow. Phase diagrams show critical and tricritical points as well as domains of statistical ensemble inequivalence, all this generically. In the case of an annular geometry, the effects of topography and of conserving two circulations are described. Analogies between the bistability of the ocean current Kuroshio and this academic study are suggested. Lastly, for the 2D Euler system, a statistical-mechanical result in the energy-enstrophy ensemble is detailed: the microcanonical distribution, constructed from Liouville's theorem in finite dimension, corresponds to the maximization of a vorticity-mixing entropy.

Face à un environnement changeant, la cellule a dû développer des systèmes de régulation lui permettant de s’adapter et d’assurer son développement et sa survie. Ces systèmes de régulation s’organisent autour de réseaux de régulation transcriptionnelle permettant l’expression des gènes codant pour les protéines dont la cellule a besoin. Dans la plupart des réseaux trancriptionnels, la régulation de la transcription des gènes est « raffinée » par la présence de circuits de rétroaction positifs et négatifs à l’origine de deux types de comportements différents: la multistabilité d’une part, et les comportements homéostatiques ou oscillants d’autre part. Deux réseaux de régulation transcriptionnelle de complexité différente ont été étudiés au cours de cette thèse :le réseau p53-Mdm2 impliqué dans l'arrêt de la croissance cellulaire, la réparation de l’ADN et l’apoptose chez les mammifères, et le réseau de facteurs transcriptionnels GATA impliqué dans la régulation du catabolisme de l’azote chez la levure Saccharomyces cerevisiae. L’analyse théorique du réseau p53-Mdm2 a eu pour principal objectif de reproduire et d’interpréter les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant la réponse oscillante de la p53 lorsque l’ADN de la cellule est endommagé. L’analyse théorique des comportements du réseau GATA, quant à elle, a été couplée à une étude expérimentale dans les milieux de qualité intermédiaire en azote peu investigués jusqu’à présent. Pour analyser les propriétés dynamiques de ces deux réseaux, plusieurs approches complémentaires, se situant à différents niveaux de description, ont été utilisées: l’approche logique, différentielle et stochastique.<p>La première partie de cette thèse a été consacrée à l’étude du réseau p53-Mdm2 pour lequel nous avons développé un modèle simple composé d’un circuit de rétroaction positif imbriqué dans un circuit de rétroaction négatif. Les résultats de notre analyse logique montrent que les principales propriétés dynamiques du réseau peuvent être résumées par un petit nombre de diagrammes de bifurcation logique. Ces scénarios de bifurcations diffèrent par la séquence d’activation du circuit positif et négatif composant le réseau et dépendent d’une part de l’affinité de la p53 pour ses gènes cibles et d’autre part de son activité transcriptionnelle. Nous proposons que différents stress et types cellulaires pourraient correspondre à différents scénarios de bifurcation et donc conduire à des réponses différentes après irradiation. Cette première analyse qualitative nous a permis de rendre compte de différents aspects de la dynamique du réseau observés expérimentalement, tels que le changement de fréquence des oscillations en cours de réponse, les oscillations de longue durée de la p53 ou l’amortissement rapide des oscillations à l’échelle d’une population de cellules. Pour nous affranchir des fortes non-linéarités inhérentes au traitement logique, nous avons ensuite traduit le modèle logique en un modèle différentiel et montré que les principaux comportements présentés par le modèle logique sont conservés, suggérant que la structure du réseau détermine dans une large mesure les principales potentialités dynamiques du système. L’analyse des propriétés de bifurcation du modèle différentiel en fonction du niveau de dommage à l’ADN nous a également permis de mettre en évidence la présence de deux régimes oscillants d’amplitude, de valeur moyenne et de fréquence nettement différentes, séparés par une zone de bicyclicité où ces deux régimes coexistent. Cette propriété permet d’expliquer l’existence des deux fréquences d’oscillation différentes qui ont été observées expérimentalement en fonction de la dose d’irradiation. Enfin l’analyse stochastique de notre modèle nous a, en particulier, permis de rendre compte de l’augmentation du nombre de cellules oscillant à des fréquences élevées lorsque la dose d’irradiation augmente, observée expérimentalement.<p>La deuxième partie de notre thèse a été consacrée à l’étude du réseau de facteurs GATA chez la levure S.cerevisiae. Ce réseau, constitué des activateurs Gln3 et Nil1 et des répresseurs Dal80 et Gzf3, comporte plusieurs circuits de rétroaction positifs et négatifs interconnectés. Dans le but d’aider à comprendre le rôle et le fonctionnement du réseau GATA, nous avons effectué une analyse théorique et expérimentale de son comportement dynamique en fonction de la qualité de la source azotée. L’analyse différentielle montre la possibilité d’un comportement bistable dans les milieux de qualité intermédiaire en azote et d’oscillations amorties suite à un transfert nutritionnel d’une condition azotée à une autre, lorsque l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 est synergique ou lorsque le gène Gln3 est supprimé. Gzf3 serait le répresseur clef impliqué dans la bistabilité tandis que Dal80 serait le répresseur clef impliqué dans les comportements oscillants. L’analyse stochastique nous a permis d’étudier l’effet des fluctuations moléculaires sur ces comportements et les distributions de variables importantes du système dans une population de cellules. Pour le modèle synergique de la souche sauvage et celui du mutant gln3°, elle a montré l’existence, dans des milieux de qualité intermédiaire en azote, de deux populations de cellules qui coexistent :une population où l’expression de Dal80 est réprimée, une autre où son expression est activée. Enfin, l’étude de la dynamique du couplage entre la protéine fluorescente Gfp, sous le contrôle du promoteur de DAL80, et le réseau GATA montre que, pour des ordres de grandeur physiologique de la vitesse de disparition de la Gfp, la bimodalité présente au niveau du réseau GATA devrait se refléter au niveau de la Gfp.<p>Les comportements bistables et oscillants mis en évidence dans notre étude théorique du réseau GATA ont ensuite été testés expérimentalement en suivant la Gfp sous le contrôle du promoteur de DAL80 en fonction de la concentration de la source azotée glutamine. Cette étude expérimentale nous a permis de mettre en évidence l’existence d’oscillations amorties de la fluorescence de la protéine de fusion Dal80-Gfp. De telles oscillations cependant n’ont pas été observées dans les expériences réalisées sur les autres souches testées pour lesquelles le gène de la Gfp est fusionné au promoteur de DAL80. Notre étude expérimentale montre également l’existence, chez la souche sauvage, d’une population unique de cellules fluorescentes quelle que soit la concentration du milieu extérieur en glutamine testé (0.2mM à 10mM). Un modèle additif où l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 n’est pas synergique serait donc en meilleur accord avec nos observations. Chez les souches où le facteur Gln3 est inactivé, par contre, deux populations cellulaires, l’une de forte fluorescence et constituée de cellules de grande taille, l’autre de plus faible fluorescence et constituée de cellules de taille plus petite, coexistent pour des concentrations intermédiaires du milieu extérieur en glutamine. La forte corrélation observée entre la taille et la fluorescence des cellules suggère que le comportement bimodal observé au niveau de la fluorescence est lié au comportement bimodal observé au niveau de la taille. Enfin, un modèle phénoménologique de la croissance cellulaire nous a permis de reproduire l’existence de deux populations cellulaires de taille distincte.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique des modèles de compétition de plusieurs espèces microbiennes sur une seule ressource dans un chémostat. L'objectif est de modéliser et démontrer la coexistence des espèces par divers mécanismes pour mieux rendre compte de la biodiversité que l'on trouve dans la nature, ainsi que dans les bioréacteurs. Nous nous somme intéressés principalement à trois mécanismes de coexistence : 1. La compétition inter-spécifique entre les populations de micro-organismes et intra-spécifiques entre les individus de la même espèce. 2. La floculation où l'espèce la plus compétitive inhibe sa propre croissance par la formation des flocs pour pouvoir coexister avec les autres espèces. En fait, ces bactéries en flocs consomment moins du substrat que les bactéries isolées puisqu'elles ont un moins bon accès au substrat, étant donné que cet accès au substrat est proportionnel à la surface extérieur du floc. 3. La densité-dépendance dont le modèle peut être construit à partir du modèle de floculation, en supposant que la dynamique de floculation est plus rapide que la croissance des espèces. Dans ce modèle densité-dépendant le taux de croissance dépend non seulement de la densité du substrat, mais aussi, de la densité de la biomasse, et le taux de prélèvement de la biomasse n'est pas constant mais dépend aussi de la densité de la biomasse. Enfin, nous avons étudié un modèle de digestion anaérobie à trois étapes avec dégradation enzymatique du substrat (matière organique), dont une partie peut être sous forme particulaire. L'analyse mathématique montre que le modèle peut présenter la quadri-stabilité avec lessivage d'aucune, d'une ou de deux espèces selon la condition initiale. L'étude mathématique du comportement qualitatif de différents modèles du chémostat, nous a permis de mieux comprendre la compétition et la coexistence des espèces microbiennes.

Ce travail est consacré à l'étude des propriétés des polaritons, particules mi-lumière mi-matière, en microcavité semi-conductrice. Leur caractère bosonique autorise l'accès à des régimes de cohérence macroscopique tels la condensation de Bose-Einstein et la superfl uidité que nous avons démontrée expérimentalement. Nous avons également développé une technique permettant de modifier optiquement l'environnement polaritonique par création de défauts arti ficiels, ce qui facilite l'obtention de comportements particuliers du fluide polaritonique comme la turbulence. Les fortes interactions dépendantes du spin entre ces particules, alliées à des vitesses de propagation très élevées du fait de leur composante photonique, nous ont permis de réaliser un interrupteur performant contrôlé optiquement, codé en polarisation et en intensité. Nous avons également réussi à manipuler la distribution spatiale en spin d'un faisceau de polaritons, et notamment à confi ner des états de spin pur sur des zones de quelques microns. Le phénomène de bistabilité présent dans le système nous a amené à reconsidérer le signe de la constante d'interaction entre polaritons de spin opposés. En fin, en régime d'oscillation paramétrique par mélange à quatre ondes, nous avons poursuivi l'étude de génération de photons jumeaux grâce à des mesures de corrélations et des analyses en bruit de la distribution modale transverse, dans diff érents types de cavités planaires puis dans des micropiliers (0D).

Avec l’évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d’intégration et d’utilisation à moindre cout énergétique, l’étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d’objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d’approfondir nos connaissances de l’interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d’expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d’étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l’interaction lumière-matière au sein d’objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilise. La seconde partie est dédiée à l’étude de l’interaction d’une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l’étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l’obtention d’un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L’étude complète des modes propres et de l’excitation optique de cette structure a permis de connaitre avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l’étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l’analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter. / Within the quick nano-fabrication techniques evolution and the increasing needs in low space and energy opto-electronic functions on-chip integration, studies and control of electromagnetic resonances of sub-micrometric objects are crucial issues. One aim of this work was then to improve our knowledge of the light-matter interaction. To this end, optical near-field experiments and complementary numerical development of models have been performed to study electromagnetic resonances due to light-matter interaction in sub-micrometric resonators. As an introduction, the first part of the manuscript presents the main phenomena involved in near-field optical microscopy and the used SNOM operation. The second part is dedicated to nearfield tip/Fabry-Perot micro-resonator interaction in the non-linear regime. In this part, we first present the study of high-Q/small volume Silicon nano-cavity non-linearities, showing possible bistable operation at very low incident power. We then demonstrate the cavity stability modulation obtain with the near-field tip. In the third part of the manuscript, we consider thin metallic film resonances. As a beginning, we realize an exhaustive study of the film eigenmodes and then discuss the resonant optical excitation of the film as well as precise determination of Brewster angle. These theoretical studies have been extended experimentally with the optical near-field determination of the resonant modes of semi-infinite thin films. For the different studies, experimental measures have been systematically associated with theoretical analyses and numerical developments of models, which have then been confirmed or discussed in light of the experimental results.

La complexation de l'arénophile à un ligand naphtalène substitué sur un seul noyau par un ou deux groupe triméthylsilyléthynyle conduit à la formation des deux régio-isomères A (arénophile coordiné au cycle substitué) et B (arénophile lié au cycle libre). L'isomère A est le produit cinétique et l'isomère B le produit thermodynamique de la réaction. La substitution du groupe trimétylsilyle par le fragment organométallique électro-actif permet d'étudier l'isomérisation A B . La migration haptotropique électro-induite, réalisée à 20 °C, est quasi quantitative . Elle résulte de l'activation de la liaison Ru provoquée par l'oxydation mono-électronique du centre redox organofer en présence d'un solvant coordinant . La synthèse du complexe ortho disubstitué, stériquement très encombré, et de ses dérivés mono- et di-oxydés a été effectuée avec succès. L'espèce mono-oxydée qui possède un couplage électronique fort est un dérivé à valence mixte de classe II B, à la limite entre les classes II et III. Les complexes tétranucléaires ont également été synthétisés et caractérisés par différentes techniques incluant notamment la radiocristallographie. Ces composés présentent des interactions électroniques à la fois en ortho, meta et para, générant de nouvelles propriétés qui pourraient s'avérer totalement inédites dans le domaine de l'électronique moléculaire. Finalement, une nouvelle famille de composés hybrides organiques inorganiques trans- a aussi été préparée (TTF = tétrathiafulvalène; n = 0-3). Le dérivé mono-oxydé est un composé à valence mixte de classe II. Le transfert d'électron intramoléculaire peut se faire selon un mécanisme par effet tunnel et par un mécanisme multi-étape par sauts entre les centres redox inorganiques et organiques. / The complexation of the arenophile to a naphthalene ligand bearing one or two trimethylsilylethynyle group gives the two regioisomers A (arenophile coordinated to the substituted ring) and B (arenophile coordinated to the free cycle). Isomer A is the kinetic product and isomer B is the thermodynamic product of the reaction. The substitution of the trimethylsilyl group by the electroactive organometallic fragment allows to control the isomerization from A to B. The electro induced haptotropic migration, performed at 20 ° C, is almost quantitative, and results from the activation of the Ru bond induced by the one-electron oxidation of the organoiron redox center in the presence of a coordinating solvent. The synthesis of the sterically constraint ortho disubstituted complex, and its mono and di-oxidized forms were successfully achieved. The mono-oxidized species that shows a strong electronic coupling is a Class-II B mixed valence compound. The tetranuclear complexes were also prepared and characterized by various methods including X-ray crystallography. These compounds exhibit electronic interactions in the ortho, meta and para positions, generating new properties that could be of great interest in the field of molecular electronics. Finally, a new family of organic-inorganic hybrids trans- has also been prepared (TTF = tetrathiafulvalene; n = 0-3). The mono-oxidized complex (n = 1) is a Class-II mixed-valence compound in which the spin density varies with the respective orientation of the metal termini. Intramolecular electron transfer occurs through single-step tunneling and multiple-step hopping mechanisms.