betaLorsque des réactions chimiques non-linéaires évoluent loin de leur état d'équilibre thermodynamique et sont couplées au processus de transport par diffusion moléculaire, des instabilités spatiales et spatio-temporelles peuvent apparaître. Dans un réacteur chimique entretenu par des flux de réactifs, nous étudions de tels systèmes de réaction-diffusion mis en oeuvre dans des gels de polyélectrolytes. Les variations volumiques du gel induites par les changements d'état chimique de la réaction génèrent une grande variété de structures morphologiques stationnaires ou dynamiques. Les changements de tailles du gel support contribuent à faire naître de nouvelles instabilités. Nous tentons de comprendre la contribution apportée par les différents processus (réaction-diffusion, changement de taille) sur la dynamique résultante du système. Ces études participent à la conception de nouveaux systèmes "intelligents" autonomes.

Les systèmes bistables connaissent un intérêt croissant motivé, entre autres, par la perspective d'applications en électronique moléculaire. Parmi ces systèmes certains possèdent la capacité d'exister sous deux états électroniques dans les mêmes conditions, i.e. présentant une hystérèse. Deux propriétés sont couramment associées à l'hystérèse, le magnétisme et l'activité rédox. Si ces phénomènes sont connus de longues dates, des zones d'ombre demeurent dans leur mécanisme. Par l'application de calculs ab initio basés sur la fonction d'onde, l'objet de ce travail est de dégager les phénomènes physiques sous-jacents à l'ouverture de boucle d'hystérésis dans les composés à transition de spin (bistabilité magnétique) et dans des complexes de porphyrine (bistabilité rédox). Les ingrédients microscopiques ainsi récoltés sont utilisés pour remonter au comportement macroscopique des matériaux par le biais de modèles thermodynamiques ou de hamiltoniens modèles.

Ce travail théorique a été réalisé dans le cadre général du développement de nouveaux composants mémoires utilisant le stockage de charges grâce à des molécules rédox. Une collaboration combinant recherche fondamentale, dans notre laboratoire, et recherche appliquée avec des équipes du CEA/LETI a conduit à la conception de systèmes hybrides constitués d'une monocouche de molécules rédox greffées sur la surface de silicium, les différents états de charge des molécules servant à stocker l'information. Notre but était de comprendre les paramètres (molécule, lien) gouvernant les transferts de charge et les propriétés électriques de tels systèmes. L'objectif principal de la thèse a donc été de modéliser les propriétés électroniques de molécules rédox et des systèmes résultants de leur greffage sur Si, à l'aide de méthodes basées sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité. Un premier volet a été consacré à l'étude de processus rédox dans des porphyrine métallées intéressantes pour leur bistabilité. Un deuxième volet rassemble toutes les études sur les systèmes de molécules rédox greffées sur Si. En raison de leur nature hybride, deux approches ont été utilisées. La première, basée sur une description moléculaire où la surface de Si est modélisée par un aggrégat, conduit à des données importantes telles que le gap HOMO-LUMO, la localisation des charges ou les propriétés structurales. La deuxième basée sur des calculs de système périodique où la surface de Si est infinie, donne accès aux densités d'états. Ces données ont été ensuite comparées aux calculs moléculaires et discutées en liaison avec les propriétés électriques déterminées sur des composants tests.

Une nouvelle famille de porphyrines chirales bridées a été mise au point dans le but d'accéder à des systèmes présentant un processus redox irréversible, lié à une bistabilité conformationnelle, dans le but de les appliquer dans le domaine des mémoires moléculaires. Ces nouvelles porphyrines sont constituées de deux brides ancrées sur les quatre positions meso par des groupes cyclohexyle. Une amine secondaire a été insérée au centre des brides dans le but d'obtenir des métalloporphyrines présentant une seule conformation à l'équilibre pour une longueur de bride, un métal et un degré d'oxydation donnés et pour favoriser un changement conformationnel en fonction du degré d'oxydation d'un métal comme le manganèse. Pour cela, une nouvelle voie de synthèse des porphyrines bridées par pré-fonctionnalisation du dialdéhyde autour de la fonction amine a été conçue. Les porphyrines ont été caractérisées par spectroscopie RMN, spectroscopie UV-Visible et dichroïsme circulaire. Les conformations des bases libres, des complexes de zinc(II) et de nickel(II) ont été déterminées par RMN proton. Pour une longueur de bride de 9 atomes avec une amine secondaire, les conformations des complexes de zinc(II) et de nickel(II) sont respectivement αααα et ααββ. En partant de ce modèle, les complexes de manganèse(II) et de chloromanganèse(III) ont été synthétisés et caractérisés par spectroscopie UV-Visible, dichroïsme circulaire et RMN du carbone 13 afin d'étudier si des changements de conformation en fonction du degré d'oxydation du métal ont lieu. / A new family of chiral bridled porphyrins was designed in order to access systems presenting an irreversible redox process linked to a conformational switch. Such systems could be of high interest in the field of molecular memories. These new porphyrins are made of two bridles anchored to the four macrocycle meso positions through cyclohexyl groups. The first objective is to introduce a secondary amine in the centre of the bridles in order to allow metalloporphyrins with defined bridle length and specific metal with a given oxidation degree to be only under one conformation at equilibrium. The second objective is to favor a conformational switch dependent on the oxidation state of a redox metal such as manganese. To reach these goals, a new porphyrin synthetic pathway was established. The key steps of this new protocol were the synthesis of the bridle built around the central amine with two terminal aldehyde functions required for the macrocyle formation. Porphyrins were studied by NMR, UV-Visible and circular dichroism spectroscopies. The conformations of free base porphyrins, zinc(II) complexes and nickel(II) complexes were determined by 1H NMR. For a bridle with a chain length of 9 atoms including the secondary amine, the zinc(II) complex presents only an αααα conformation and nickel(II) complex an ααββ conformation. From these structural models, manganese(II) and chloromanganese(III) complexes were synthesised and characterised by UV-Visible spectroscopy, circular dichroism and 13C NMR in order to study the possible conformational switches dependent on the Mn redox state.

La mémoire de travail paramétrique - la capacité fondamentale à maintenir et à manipuler des informations quantitatives de façon transitoire - est essentielle à de nombreuses fonctions centrales (perception, action, décision, contrôle comportemental, cognition). À l'échelle des neurones du cortex préfrontal, la mémoire de travail paramétrique s'exprime au travers d'activités persistantes de fréquence gradée (multistabilité) codant l'amplitude d'informations quantitatives passées (p.ex. une quantité psychophysique, un nombre d'items), dont l'origine causale demeure incomprise. En simulant des modèles biophysiques détaillés et en analysant formellement leur version simplifiée, j'ai 1) étudié les propriétés de mémoire cellulaire de neurones de couche V du cortex préfrontal, munis de courants supraliminaires, et 2) évalué le rôle possible de ces propriétés dans les processus de maintien gradé de l'activité persistante au sein des réseaux récurrents préfrontaux. Ces modèles réalistes m'ont permis de proposer 1) l'existence d'une forme particulière de bistabilité cellulaire flexible, dont l'expression est conditionnée à l'historique de régulation des propriétés intrinsèques et à la nature de la stimulation perçue (présent) et 2) que cette bistabilité cellulaire peut, par son interaction avec la réverbération d'activité synaptique, participer à l'émergence des dynamiques collectives persistantes gradées des réseaux préfrontaux, le corrélât neuronal de la mémoire de travail paramétrique. / Parametric working memory – the fundamental ability to maintain and manipulate quantitative information transiently – is critical to many core brain functions (perception, action, decision, behavioral control, cognition). Across neurons of the prefrontal cortex, parametric working memory is expressed through persistent graded activities (multistability) encoding the amplitude of past quantitative information (e.g. a psychophysical quantity, a number of items). The causal origin of this multistability remains unclear. Using biophysical and analytical models, I first studied the mnemonic properties of individual neurons endowed with supraliminar conductances. I then evaluated the possible role of these properties in maintaining persistent graded activities in prefrontal recurrent networks. These realistic models suggest 1) the existence of a flexible form of cellular bistability, conditioned to the historical regulation of the intrinsic properties and the nature of the stimulation and 2) that this cellular bistability could participate, in interaction with synaptic reverberation, to the emergence of persistent graded collective dynamics in prefrontal networks, the neural correlate of parametric working memory.

En plus des photorécepteurs canoniques traditionnels (bâtonnets etcônes), des cellules ganglionnaires contenant le photopigment mélanopsineont récemment été découverts. Une étude récente de notrelaboratoire a suggéré que, dans la rétine humaine, ce nouveau photopigmentexprime des propriétés bistables similaires à celles notéeschez les invertébrés tant in vitro qu’in vivo. Dans les systèmes dephotopigments bistables, la lumière déclenche une réponse photosensoriellemais permet aussi la régénération du chromophore pourrétablir la réactivité lumineuse du photopigment. Cette dernière étudea montré qu’une exposition lumineuse antérieure peut moduler l’amplitudedes réponses lumineuses de la mélanopsine.L’objectif de ma thèse est d’étudier (1) la bistabilité présumée de lamélanopsine chez l’Homme en utilisant comme outil le réflexe photomoteurpupillaire. Ma thèse comporte aussi 2) le développementd’une technique d’évaluation quantitative des effets du brunissementdu cristallin oculaire sur la photoréception impliquant la mélanopsine;3) le développement d’un modèle mathématique portant sur lefonctionnement des photopigments bistables et du système photiquenon visuel.L’exploitation des propriétés bistables de la mélanopsine et l’utilisationappropriée des effets photorégénérateurs des longueurs d’ondeslumineuses longues pourraient servir dans l’optimisation de la compositionspectrale des applications photothérapeutiques (expérimentales,industrielles, domestiques et cliniques). / In addition to the canonical photoreceptors, rods and cones, a novelmelanopsin-expressing retinal ganglion cell (mRGC) was recently discovered.The novel photopigment melanopsin in the human retinahas been shown to express invertebrate-like bistable properties bothin vitro and in vivo. In bistable photopigment systems, light elicitsphotosensory responses and drives photoregeneration of the chromophoreto restore photic responsiveness. These studies have shownthat prior light exposure can modulate the amplitude of subsequentphotic responses of melanopsin.In this thesis, the putative bistability of melanopin in humans isexamined. The bistability was studied using 1) pupillary light reflex(PLR) as a tool, 2) developing a method for quantifying the effectsof lens density for melanopsin-mediated photoreception, and 3) providinga quantitative mathematical framework for modeling bistablepigment systems and non-image forming (NIF) visual system.Exploiting the bistable properties of melanopsin could allow foroptimization of spectral light distribution in experimental, industrial,domestic and clinical phototherapy applications by appropriate useof the photoregenerative effects of long wavelength light. / Perinteisten fotoreseptorien, sauvasolujen ja tappisolujen, lisäksi verkkokalvoltaon löydetty melanopsiinia sisältäviä gangliosoluja. Fotopigmenttimelanopsiinin on huomattu käyttäytyvän ihmisen verkkokalvollaselkärangattomien eläimien bistabiilin näköjärjestelmän tavoinsekä in vivo- ja in vitro- olosuhteissa. Bistabiileissa fotopigmenttijärjestelmissävalo aiheuttaa sensoristen vasteiden lisäksi kromoforin fogeneraationvastevalmiisen tilaan. Nämä aiemmat tutki-mukset ovatosoittaneet, että aiempi valoaltistus voi moduloida siitä seuraaviamelanopsiinivasteita.Tässä väitöskirjassa melanopsiinin oletettua bistabiiliutta tutkittiinkäyttäen 1) Pupillireaktiota työkaluna, 2) kehittämällä kvantitaviinenmenetelmä mykiöntiheyden vaikutuksiin melanopsiini-fotoreseptiossa,ja 3) kehittäen kvantitatiivisen matemaattisen kehyksen bistabiilien pigmenttijärjestelmien ja ei-visuaalisen näköjärjestelmän mallintamiseen.Melanopsiinin bistabiileita ominaisuuksia on mahdollista optimoidavalon spektrikoostumusta niin tieteellisissä, teollisissa, kotitalouksellisissaja kliinisissä valoterapia sovelluksissa hyväksikäyttämälläpunaisen aallonpituusalueen fotoregeneroivia vaikutuksia.

L’optique non linéaire traite les modifications des propriétés optiques d'un matériau induites par la propagation de la lumière. Depuis ses débuts, il y a cinquante ans, des nombreuses applications ont été démontrées dans presque tous les domaines de la science. Dans le domaine de la micro et nano-photonique, les phénomènes non linéaires sont à la fois au cœur d’une physique fondamentale fascinante et des applications intéressantes: ils permettent d'adapter et de contrôler le flux de lumière à une échelle spatiale inferieure à la longueur d'onde. En effet, les effets non linéaires peuvent être amplifiés dans des systèmes qui confinent la lumière dans des espaces restreints et avec de faibles pertes optiques. Des bons candidats pour ce confinement sont les nanocavités à cristaux photoniques (CPs), qui ont été largement étudiées ces dernières années. Parmi la grande diversité des processus non linéaires en optique, les phénomènes dynamiques tels que la bistabilité et l'excitabilité font l’objet de nombreuses études. La bistabilité est bien connue pour ces applications potentielles pour les mémoires et les commutateurs optiques et pour les portes logiques. Une réponse excitable typique est celle subjacente dans le déclanchement du potentiel d'action dans les neurones. En optique, l'excitabilité a été observée il y a une quinzaine d’années. Dans ce travail, nous avons étudié les régimes bistables, auto-oscillants et excitables dans des nanocavités semiconductrices III-V à CP. Afin de coupler efficacement la lumière dans les nanocavités, nous avons développé une technique de couplage par onde évanescente en utilisant une microfibre optique étirée. Grâce à cette technique, nous avons démontré pour la première fois l’excitabilité dans une nanocavité à CP. En parallèle, nous avons accompli la première étape vers la dynamique non linéaire dans un réseau de cavités couplées en démontrant le couplage optique linéaire entre nanocavitités adjacentes. Ceci a été réalisé en utilisant de mesures de photoluminescence en champ lointain. Un ensemble de résonateurs non linéaires couplés ouvre la voie à une famille de phénomènes dynamiques non linéaires très riches, basés sur la rupture spontanée de symétrie. Nous avons démontré théoriquement ce phénomène dans deux cavités couplées par onde évanescente. Les premières études expérimentales de ce régime ont été menées, établissant ainsi les bases pour une future démonstration de la rupture spontanée de symétrie dans un réseau de nanocavités non linéaires couplées. / Nonlinear optics concerns the modifications of the optical properties of a material induced by the propagation of light. Since its beginnings, fifty years ago, it has already found applications in almost any field of science. In micro and nano-photonics, nonlinear phenomena are at the heart of both fascinating fundamental physics and interesting potential applications: they give a handle to tailor and control the flow of light within a sub-wavelength spatial scale. Indeed, the nonlinear effects can be enhanced in systems allowing tight light confinement and low optical loses. Good candidates for this are the Photonic Crystal (PhC) nanocavities, which have been extensively studied in recent years. Among the great diversity of nonlinear processes in optics, nonlinear dynamical phenomena such as bistability and excitability have recently received considerable attention. While bistability is well known as a building block for all-optical memories, switching and logic gates, excitability has been demonstrated in optics about fifteen years ago: coming from neuroscience, it is the mechanism underlying action potential firing in neurons. In this work, we have studied bistable, self-pulsing and excitable regimes in InP-based PhC nanocavities. In order to achieve efficient light coupling into the nanocavities, we have developed an evanescent coupling technique using tapered optical microfibers. As a result, we have demonstrated for the first time excitability in a PhC nanocavity. In addition, we have accomplished the first step towards nonlinear dynamics in arrays of coupled cavities by demonstrating optical linear coupling between adjacent nanocavitites. This was achieved using far field measurements of photoluminescence. A set of coupled nonlinear resonators opens the door to a rich family of nonlinear dynamical phenomena based on spontaneous symmetry breaking. We have theoretically demonstrated this phenomenon in two evanescently coupled cavities. The first experimental studies on this regime were carried out, which establish a basis for a future demonstration of spontaneous symmetry breaking in arrays of nonlinear coupled PhC nanocavities.

La gestion et transmission d’information au sein d’organismes vivants implique la production et le trafic de molécules via des voies de signalisation sutructurées en réseaux de réactions chimiques. Ces derniers varient selon leur forme, taille ainsi que la nature des molécules mises en jeu. Parmi eux, les réseaux de régulation génétiques nous ont servi de modèle pour le développement et la mise en place d’un système de programmation moléculaire in vitro. En effet, l’expression d’un gène est majoritairement dominé par des facteurs de transcription, autres protéines ou acides nucléiques, eux-mêmes exprimés par d’autres gènes. L’ensemble forme l’interactome de la cellule, carte globale des interactions entre gènes et sous-produits, où la fonction du réseau est relié à sa topologie. L’observation des noeuds et sous-architectures dénote trois mécanismes récurrents : premièrement, la nature des interactions est de type activation ou inhibition, ce qui implique que tout comportement non trivial est obtenu par une combinaison de noeuds plutôt que le développement de nouvelles interactions. Ensuite, la longévité du réseau est assurée par la stabilité chimique de l’ADN couplée à la chimiosélectivié des réactions enzymatiques. Enfin, l’aspect dynamique est maintenu par le constant anabolisme/catabolisme des intermédiaires et donc l’utilisation de combustible/énergie. C’est suivant ces observations que nous avons développé un ensemble de trois réactions enzymatiques élémentaires : la «PEN-DNA toolbox». L’architecture du réseau, à savoir les connections entre les noeuds est médiée par la séquence de brins d’ADN synthétiques (appelés matrice), et trois enzymes (polymérase, nickase, et exonucléase) assurent la catalyse des réactions chimiques. La production et dégradation des intermédiaires consomme des désoxyribonucléotides triphosphates et rejette des désoxyribonucléotides monophosphate, dissipant ainsi le potentiel chimique. Les réactions sont suivies grâce au greffage d’un fluorophore sur le brin matriciel et au «nucleobase quenching» qui intervient lorsqu’une base d’un intermédiaire se rapproche du fluorophore après hybdridation sur le brin matriciel. L’activation correspond alors à la synthèse d’un brin output en réponse à un brin input, alors que l’inhibition survient lorsqu’un brin output s’hybride sur un brin matriciel, empêchant ainsi à l’input correspondant de s’y fixer. Oscillations, bistabilité et mémoire sont des exemples de comportements implémentés en PEN-DNA toolbox, faisant appel à des architectures de plus en plus complexes. Pour cela, un réglage fin des concentrations en effecteurs (ADN et enzymes) est nécessaire, ce qui sous-tend l’existence de plusieurs comportements pour un même circuit, dépendant des conditions paramétriques. L’établissement d’une carte de chaque combinaison de paramètres avec le comportement global associé permettrait de comprendre le fonctionnement du réseau dans son ensemble, et donnerait accès à tous les comportements disponibles. Dans le cas d’un système dynamique non linéaire, une telle carte est un diagramme de bifurcation du système. Pour explorer de manière exhaustive les possibilités d’un réseau dans un cadre expérimental raisonable, nous avons développé une plateforme microfluidique capable de générer des goutelettes d’eau dans l’huile à partir de quatres canaux aqueux différents. Ce dispositif nous donne accès, grâce à un contrôle fin des contributions de chaque canal aqueux, à des goutelettes monodisperses (volume de l’ordre du picolitre) dont le contenu est différent pour chaque goutelette. Nous avons adapté notre dispositif aux contraintes matérielles (design microfluidique, génération de goutelettes à contenu différents et controllés, observation et stabilité à long terme) et techniques (tracabilité des goutelettes et stabilité/compatibilité chimique). (...) / Information processing within and in between living organisms involves the production and exchange of molecules through signaling pathways organized in chemical reactions networks. They are various by their shape, size, and by the nature of the molecules embroiled. Among them, gene regulatory networks were our inspiration to develop and implement a new framework for in-vitro molecular programming. Indeed, the expression of a gene is mostly controlled by transcription factors or regulatory proteins and/or nucleic acids that are themselves triggered by other genes. The whole assembly draws a web of cross-interacting genes and their subproducts, in which the well controlled topology relates to a precise function. With a closer look at the links between nodes in such architectures, we identify three key points in the inner operating system. First, the interactions either activate or inhibit the production of the later node, meaning that non trivial behaviors are obtained by a combination of nodes rather than a specific new interaction. Second, the chemical stability of DNA, together with the precise reactivity of enzymes ensures the longevity of the network. Finally, the dynamics are sustained by the constant anabolism/catabolism of the effectors, and the subsequent use of fuel/energy. All together, these observations led us to develop an original set of 3 elementary enzymatic reactions: the PEN-DNA toolbox. The architecture of the assembly, i.e. the connectivity between nodes relies on the sequence of synthetic DNA strands (called DNA templates), and 3 enzymes (a polymerase, a nickase and an exonuclease) are taking care of catalysis. The production and degradation of intermediates consume deoxyribonucleoside triphosphates (dNTP) and produce deoxynucleotide monophosphates leading to the dissipation of chemical potential. Reactions are monitored thanks to a backbone modification of a template with a fluorophore and the nucleobase quenching effect consecutive to an input strand binding the template. The activation mechanism is then the production of an output following the triggering of an input strand, and the inhibition comes from the production of an output strand that binds the activator-producing sequence. Various behaviors such as oscillation, bistability, or switchable memory have been implemented, requiring more and more complex topologies. For that, each circuit requires a fine tuning in the amount of chemical parameters, such as templates and enzymes. This underlies the fact that a given network may lead to different demeanors depending on the set of parameters. Mapping the output of each combination in the parameter space to find out the panel of behaviors leads to the bifurcation diagram of the system. In order to explore exhaustively the possibilities of one circuit with a reasonable experimental cost, we developped a microfluidic tool generating picoliter-sized water-in-oil droplets with different contents. We overcame the technical challenges in hardware (microfluidic design, droplet generation and long-term observation) and wetware (tracability of the droplet and emulsion compatibility/stability). So far, bifurcation diagrams were calculated from mathematical models based on the enzymes kinetics and the thermodynamic properties of each reaction. The model was then fitted with experimental data taken in distant points in the parameter space. Here, millions of droplets are created, and each one encloses a given amount of parameters, becoming one point in the diagram. The parameter coordinates are barcoded in the droplet, and the output fluorescence signal is recorded by time lapse microscopy. We first applied this technique to a well-known network, and obtained the first experimental two-dimensional bifurcation diagram of the bistable system. The diagram enlightens features that were not described by the previous mathematical model. (...)

Si les diagrammes de phase des alliages binaires massifs sont désormais bien connus, il en va tout autrement de ceux des nanoalliages, particules constituées de quelques centaines à quelques milliers d’atomes. Le développement des nanotechnologies est un puissant moteur pour développer la connaissance des diagrammes de phase des nanoparticules. Dans ce but, nous avons étudié le polyèdre de Wulff de 405 atomes (PW405) dans le système Cu-Ag caractérisé par une forte différence de rayons atomiques entre les constituants et une tendance à la démixtion, du moins dans sa forme massive. L’étude est réalisée par simulations Monte Carlo utilisant un potentiel interatomique à N-corps, en tirant parti de la richesse de deux ensembles thermodynamiques, à savoir les ensembles pseudo-grand canonique, i.e. à différence de potentiel chimique fixée, et canonique, i.e. à concentration nominale fixée. Nous montrons tout d’abord qu’un diagramme de phase de nanoalliage est constitué d’un ensemble de diagrammes de phase attachés à des classes de sites de surface ou des couches internes. Ainsi, pour le PW405, nous distinguons trois diagrammes de phase : ceux des facettes (100) et (111) et celui des couches de cœur. Chacun de ces trois diagrammes est attaché à des phénomènes physiques très différents. Ainsi, le diagramme de phase des facettes (100) est relatif à une transition structuro-chimique, alors que celui des facettes (111) caractérise une transition démixtion – désordre sans évolution structurale. Dans l’ensemble p-GC, cela se traduit par une bistabilité collective pour les facettes (100) et individuelle pour les facettes (111). Une conséquence de ce dernier point est la possibilité d’observer des facettes (111) pures en cuivre et d’autres pures en argent au sein d’un même agrégat !L’utilisation de la méthode de Widom pour déterminer dans l’ensemble canonique s’est révélée déterminante pour pouvoir séparer les régimes monophasés de ségrégation superficielle ou sub-superficielle des régimes biphasés. La différence de rayons atomiques joue un rôle important, tant dans la stabilisation dans l’état biphasé de la configuration Janus dissimulée par une coquille d’argent, que dans l’abaissement de la température critique par un facteur d’environ 2 par rapport au diagramme de phase massif.Une analyse des simulations Monte Carlo par une approche en champ moyen sur réseau effectif s’est révélée d’une richesse insoupçonnée pour déterminer les fores motrices de chaque type de transition, tant à la surface que dans les couches de cœur. Cela nous a permis de plus de montrer que les arêtes jouent le rôle d’une véritable nano-armature pour l’agrégat. Ce travail s’achève par ce qui constitue, à notre connaissance, la proposition du premier diagramme de phase de nanoalliage. / If bulk phase diagrams of binary alloys are now well known, it is not the case for nanoalloys, which are particles consisting in a few hundred to a few thousand of atoms. The development of nanotechnologies is a powerful driving force to develop the interest in the phase diagrams of nanoparticles. For this purpose, we have studied the Wulff polyhedron of 405 atoms (PW405) in the Cu-Ag system characterized by a large difference in atomic radii between the components and a tendency to phase separation, at least in the bulk. The study is carried out by Monte Carlo simulations using N-body interatomic potentials, taking advantage of the complementarity of two thermodynamic ensembles, namely the semigrand canonical ensemble (sGC), i.e. at fixed difference in chemical potentials and the canonical ensemble, i.e. at fixed nominal concentration.We first show that a phase diagram of nanoalloy consists in a set of phase diagrams related to the various classes of surface sites or to the internal layers. Thus, for the PW405, we distinguish three phase diagrams: the (100) facets diagram, the (111) facets diagram and the phase diagram for the layers of the core. Each of these diagrams is linked to very different physical phenomena. Thus, the phase diagram of the (100) facets is related to a structural and chemical transition, while the one of the (111) facets characterizes a transition between phase separation and disorder, without structural evolution. In the sGC ensemble, this results in a collective bistability for the (100) facets and an individual bistability for the (111) facets. A consequence of this last point is the possibility to observe some (111) facets pure in copper and other (111) facets pure in silver within the same nanoparticle !The use of the Widom method to determine in the canonical ensemble is decisive in order to discriminate between a single-phase regime (with surface or subsurface segregation) and a two-phase regime. Furthermore, the difference of atomic radii between Cu and Ag plays an important role, both for stabilizing the Janus configuration (with an Ag shell) in the two-phase state, and for lowering the critical temperature of the core layers by a factor of about 2 with respect to the bulk phase diagram.An analysis of the Monte Carlo simulations within an effective lattice formalism and a mean-field approximation is very powerful to determine the driving forces at the origin of each type of transition, both for the different facets of the surface layers and for the core. Moreover, this allowed us to show that the edges act as a nano-armature for the nanoparticles. This work ends with the establishment of what should be considered as the first phase diagram of nanoalloys, to the best of our knowledge.

Notre stratégie de stockage d’électrons repose sur la formation et la rupture de liaisons chimiques fonctionnant comme des réservoirs d’électrons. Le processus de formation réversible de liaisons est rendu possible grâce à la pré-organisation de groupements électroactifs – des pyridiniums – autour de plateformes aromatiques rigides et semi-rigides. Le relargage des électrons stockés au sein des réservoirs d’électrons par rupture de liaison suggère de manipuler des liaisons de nature affaiblie, c’est-à-dire allongées et contraintes stériquement, comme celles résultantes d’interactions hors-du-plan des groupements électrophoriques. Les contraintes stériques permettent ainsi la formation et la rupture de ces liaisons dans une gamme d’énergie raisonnable. Les pyridiniums sont des unités électrophoriques de choix dû à la versatilité de leurs propriétés de réduction. Les assemblages obtenus sont des systèmes bistables qui montrent des propriétés électrochimiques hystérétiques remarquables. En général, ce comportement repose sur la proche proximité des groupements électrophoriques qui permettent la formation d’une (ou plusieurs) orbitale(s) supramoléculaire(s) vacante(s) et liante(s) (SupLUMOs). Lors de la réduction, cette orbitale accueille deux électrons créant ainsi la liaison d’intérêt. Une famille de composés modèles a ainsi été conçue et synthétisée impliquant la formation réversible de liaisons homonucléaires (Csp3‒Csp3). Ces liaisons sont de nature localisée dans des systèmes à deux pyridiniums (bi-électroniques) et délocalisée dans des systèmes de plus de deux pyridiniums. / Our strategy to store electrons is based on chemical bond formation/cleavage being used as electron reservoirs. Reversible bond formation results from the preorganization of electrophoric moieties – pyridiniums – around aromatic rigid and semi-rigid scaffold. Using lower energy bonds is required to release stored electrons from the reservoirs. Such bonds can be obtained from sterically hindered out-of-plan bond formation between two electrophorical subunits. The resulting elongated bond can be cleaved in an available level of energy. Pyridiniums are prime candidates to achieve such properties based on their noteworthy redox behavior. The resulting molecular devices are bistable systems that display remarkable hysteretic electrochemical properties, based on close proximity of electrophoric subunits allowing one (or more) unoccupied supramolecular bonding orbital(s) (SupLUMOs). Upon reduction, two electrons are injected in this orbital resulting in the bond of interest. An entire family of compounds has been designed and synthesized to highlight reversible homonuclear bond formation (Csp3‒Csp3). Those bonds are localized in the case of a two-pyridiniums system, and delocalized when more pyridiniums are involved.