Cette thèse porte sur la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre par captage et stockage du dioxyde de carbone (CO2) contenu dans les effluents industriels. Les procédés de captage concernés reposent sur l’absorption sélective du CO2 par des solutions aqueuses d’alcanolamines. Les mécanismes physico-chimiques d’absorption mis en jeu sont étudiés à l’aide de modèles thermodynamiques. Leur développement est complexe et la prédiction précise des données physico-chimiques, nécessaires à l’optimisation des procédés industriels de captage, reste difficile. Le développement d’outils permettant une représentation détaillée des structures microscopiques permettrait l’optimisation de ces modèles. Ces outils fourniraient également des informations pour l’établissement de relations structure-propriété nécessaires au design d’absorbants adaptés au captage en post-combustion. Les travaux de recherche ont porté sur l’évaluation du pouvoir prédictif des outils de simulation moléculaire et leur capacité à établir des relations entre la structure des absorbants, les interactions moléculaires et les propriétés physicochimiques macroscopiques. Les outils développés ont été construits afin de permettre leur transférabilité entre alcanolamines. L’étude repose sur des mesures calorimétriques et des travaux de simulation par dynamique moléculaire menés en parallèle. Elle porte sur des alcanolamines primaires, pures ou en solutions aqueuses, basées sur le squelette N-C-C-O, incluant la monoéthanolamine (MEA). La mise en évidence d’un effet d’ouverture des liaisons hydrogène intramoléculaires des alcanolamines en fonction de leur composition semble être à la base de la différenciation du comportement énergétique des systèmes binaires {alcanolamine + eau}. L’identification des différents types d’interactions engagés a permis de mettre en lumière un effet hydrophobe. L’ensemble des analyses explique certaines limites des modèles thermodynamiques classiques et constitue un guide pour leur amélioration, notamment par la prise en compte de l’effet de composition. / This thesis focuses on the problem of reducing greenhouse gas emissions by capture and storage of carbon dioxide (CO2) from industrial effluents. The capture processes concerned is based on the selective absorption of CO2 by aqueous solutions of alkanolamines. In industry and academia, the physico-chemical mechanisms of absorption are described using thermodynamic models. Their development is complex and the prediction of physicochemical data, which is necessary to optimize industrial capture processes, remains difficult. The development of molecular models for a detailed representation of microscopic structures would improve these models. These molecular models also provide information for the establishment of structure-property relationships which are necessary to design absorbants adapted to post-combustion capture. This doctoral research project has focused on assessing the predictive power of molecular simulation methods and their ability to establish relationships between the structure of absorbents, molecular interactions and macroscopic physico-chemical properties. The molecular interaction models were built to allow their transferability between alkanolamines. The study is based on calorimetric measurements and molecular dynamics simulation run in parallel. It covers primary alkanolamines, pure or in aqueous solutions, based on the N-C-C-O skeleton, including monoethanolamine (MEA). With varying composition of the {alkanolamine + water} mixtures, there is a competition between the intramolecular hydrogen bond of the alkanolamines (between the amino and hydroxyl group) and the hydrogen bonds with water molecules. This effect of opening of the intramolecular hydrogen bonds is related in this work with the value of the enthalpy of mixing. Also, this effect is of different magnitude for different alkanolamines and therefore the present model represents correctly different molecules. Evidence of the role of the hydrophobic effect is also given through an analysis of the different terms in the interactions. The main results of the present work are detailed analyses at the molecular level of the interactions present in the {alkanolamine + water} mixtures and how these determine the macroscopic thermodynamics of mixing. This knowledge at the molecular scale can provide a guide to the improvement of thermodynamic models.

Après une description du LHC, de l'expérience Atlas et des systèmes calorimétriques à argon liquide, cette thèse montrera une étude qui vise à valider la simulation des gerbes électromagnétiques en utilisant des muons cosmiques. Nous discuterons ensuite de la reconstruction des pions neutres et de la cartographie de la matière dans le trajectographe interne en utilisant des photons convertis avec les premières données. Pour finir, nous présenterons les résultats obtenus concernant la recherche du boson de Higgs dans le canal H->ZZ->4l avec les données 2011 et une énergie √s=7TeV dans le centre de masse. / After a description of the LHC, the ATLAS experiment and the liquid argon calorimeter system, this thesis will show a study to validate the simulation of electromagnetic showers using cosmic muons. Then, we will discuss about neutral pion reconstruction and about the material mapping of the inner tracker using converted photons with the first data. Finally, we will present the results concerning the search for the Higgs boson in the H-> ZZ-> 4l channel with the 2011 data and a energy √s = 7TeV.

Ce mémoire de thèse porte sur la caractérisation de l'effet électrocalorique des matériaux ferroélectriques solides et cristaux liquides. La découverte récente d'un effet électrocalorique qualifié de "géant" a relancé l'intérêt pour l'étude et la caractérisation des propriétés électrocaloriques des matériaux. Au-delà de la recherche des matériaux performants, ce domaine de recherche concerne également le développement des techniques de caractérisations appropriées et la réalisation des prototypes de réfrigération électrocalorique. Dans ce contexte, notre étude se focalise sur le développement de nouvelles techniques de caractérisation, la méthode photopyroélectrique (indirecte) et la calorimétrie (directe). La technique photopyroélectrique, développée au sein du laboratoire a été utilisée pour la détermination des propriétés thermiques du matériau pyroélectrique lui-même. L'exploitation de cette technique nous a permis également de déterminer les propriétés pyroélectriques du matériau, en particulier le rapport entre le coefficient pyroélectrique et la capacité calorifique, en fonction de la température et du champ électrique appliqué, nécessaire pour une évaluation indirecte de l'effet électrocalorique. Plusieurs matériaux ferroélectriques solides et liquides ont été étudiés à l'aide de cette méthode, en particulier, un monocristal de TriGlycine Sulfate et deux cristaux liquides. L'effet électrocalorique a été évalué autour de la température de transition de phase que présentent chacun de ces matériaux. Pour valider les résultats obtenus, nous avons procédé à des mesures indirectes de la polarisation par la méthode usuelle du courant de dépolarisation. Dans ce travail, nous avons également développé une technique de mesure indirecte de l'effet électrocalorique, par mesure calorimétrique, à l'aide d'un nouveau dispositif. Outre l'étude des transitions de phase et de la capacité calorifique, cet instrument permet une mesure directe de la température et de la quantité de chaleur absorbée ou cédée avec le milieu environnant. Une première étude de l'effet électrocalorique a été réalisée sur un matériau multicouche à base de titanate de baryum. Les résultats obtenus par cette approche ont été ensuite comparés à d'autres techniques directes et indirectes existantes dans la littérature. Ces deux nouvelles approches permettent d'élargir les possibilités d'étude de futurs matériaux électrocaloriques et de mesurer à la fois les propriétés thermiques et pyroélectriques nécessaires pour l'étude de l'effet électrocalorique. / This thesis work deals with the characterization of the electrocaloric effect in solid and liquid crystal ferroelectric materials. Following the 2006 discovery of Mischenko and al., the characterization techniques of the electrocaloric effect and the exploration of new caloric materials have attracted much attention. This discovery showed also that electrocaloric materials can be used for efficient innovative solution for refrigeration devices. This PhD dissertation focuses on the development of new techniques used to evaluate the electrocaloric effect by the photopyroelectric technique and by calorimetry. Few years ago, a new particular configuration based on the photopyroelectric technique, developed in our laboratory, was described for measuring thermal parameters of pyroelectric materials themselves. By means of this technique, we indirectly investigate the electrocaloric effect in ferroelectric materials by measuring the ratio of the pyroelectric coefficient to the volumetric heat capacity, as function of temperature and applied field, using Maxwell's relation. Measurements were carried out on ferroelectric solid materials (TriGlycine Sulfate) and liquid crystals. Electrocaloric effect has been evaluated around the phase transition temperature of each sample. To further validate the accuracy to the evaluated adiabatic temperature changes, we proceeded to indirect measurements by using the polarization reversal current technique. In the present work, we also developed a calorimeter in order to directly evaluate the electrocaloric effect. This technique is mainly used to measure with high resolution the heat capacity and enthalpy near phase transition temperature. In addition, this technique allows us to directly measure the temperature and the amount of heat absorbed or transferred from the material to the surrounding environment. A primary study of the electrocaloric effect was carried out on a multilayer material based on barium titanate. The results obtained by this approach have been then compared to conventional direct and indirect measurements. Those two new approaches give access to the measurement of both thermal and pyroelectric properties allowing the evaluation of the electrocaloric effect.

Les techniques d’analyse thermique et de calorimétrie sont des méthodes d’essai largement utilisées dans les laboratoires d’analyse physico-chimique, pour des finalités de recherche ou de contrôle qualité. Comme tout appareil de mesure, un analyseur thermique ou un calorimètre doit être étalonné en température et en énergie avec des matériaux de référence certifiés. Les matériaux de référence recommandés correspondent généralement aux points fixes de l'échelle internationale de température (EIT-90), à savoir gallium, indium, étain, zinc et aluminium. Il existe peu de matériaux de référence certifiés au-dessus de 420 °C, alors que certains analyseurs thermiques peuvent être utilisés jusqu'à 1000 °C, voire au-delà.L’élaboration et la certification de matériaux de référence doivent employer des méthodes de mesure très précises avec un raccordement métrologique des mesures au système international d’unités (SI). Le Laboratoire Commun de Métrologie (LCM) s'est engagé dans le développement d'un moyen de référence métrologique en calorimétrie permettant des mesures précises en enthalpie de fusion et en capacité thermique massique sur la plage de température [23 °C, 1000 °C]. La solution métrologique retenue a été de modifier un calorimètre de type Calvet, et de mettre au point des procédures d’étalonnage et de mesure afin d’atteindre des incertitudes de mesures suffisamment faibles pour la certification des matériaux de référence.Dans ce travail, un système d'étalonnage fonctionnant à haute température a été spécifiquement conçu et intégré dans le calorimètre pour permettre l'étalonnage par substitution électrique. Ce système permet de réaliser successivement des étalonnages par effet Joule et des mesures d’enthalpie de fusion, sans modification des conditions expérimentales.Ce travail comprend également le développement des systèmes d’acquisition et traitement des résultats des mesures. La détermination de l'enthalpie de fusion de plusieurs métaux (indium, étain et argent notamment) avec une recherche des facteurs d’influence sur cette grandeur, et une estimation des incertitudes de mesure. La mesure de l’enthalpie de fusion d’un alliage eutectique argent-cuivre, candidat comme matériau de référence en énergie à 779 °C, est également présentée. / Differential scanning calorimeters are widely used in many academic and industrial laboratories to study the thermal behavior of materials for research or quality control. Like any measuring device, a thermal analyzer or calorimeter must be calibrated in temperature and energy with certified reference materials. Recommended reference materials generally correspond to fixed points of the International Temperature Scale (ITS- 90), namely: gallium, indium, tin, zinc and aluminum. However, there are few certified reference materials above 420 °C, while the operating range of some thermal analyzers and calorimeters exceeds 1000 °C.The certification of reference materials insures the metrological traceability of measurements to the International System of Units (SI). The LCM-LNE has been working in the development of a metrological standard facility for accurate measurements of the enthalpy of fusion and heat capacity in the temperature range [23 °C, 1000 °C]. The metrological approach is based on the modification of a commercial Calvet calorimeter and of the procedures implemented for calibration and measurement, so as to get measurement uncertainties sufficiently low to fulfill the objectives of the certification of reference materials.A new in-situ high temperature calibration system (constituted by a resistance wire wound around the crucible containing the material sample) was integrated into the calorimeter to perform the calibration by electrical substitution. The system allows both calibration and measurement without modification of the apparatus, so that the experimental conditions during both steps remain unchanged.This work also includes the development of data acquisition system and processing of measurement results. The determination of the enthalpy of fusion of several metals (indium, tin and silver in particular) with an estimation of the measurement uncertainty has been made. The measurement of the enthalpy of fusion of a silver-copper eutectic alloy, as candidate reference material at 779 °C, is also presented.

Les incendies de végétation sont caractérisés par de nombreuses échelles de temps et d’espace. Une approche multi-physique et multi-échelle est donc nécessaire pour aborder la complexité de ces phénomènes. Ce travail de thèse est une contribution expérimentale à l’étude des effets d’échelle et du système sur la dynamique de combustion des végétaux et les fumées émises. Notre objectif principal a été de déterminer quels protocoles expérimentaux et plus particulièrement quelles échelles permettent de caractériser au mieux la combustion des végétaux en laboratoire. Nous avons ainsi étudié le comportement au feu des aiguilles de deux espèces de pin représentatives de l’écosystème méditerranéen, Pinus pinaster et Pinus laricio. Les litières d’aiguilles de pin représentent un enjeu important car elles entretiennent la propagation des incendies et elles participent à la transition d’un feu de surface à un feu total. Trois configurations expérimentales ont été étudiées au cours de cette thèse, l’échelle du cône calorimètre, l’échelle du grand calorimètre ou LSHR (permettant la combustion statique de masses plus importantes que le cône) et enfin, la propagation dans le LSHR permettant d’étudier l’effet du système sur la dynamique de la combustion et sur la production des fumées. Pour comparer ces trois configurations les protocoles expérimentaux ont été adaptés tout en maintenant la charge de combustible. Différents paramètres ont été étudiés pour analyser la dynamique de combustion tels que l’efficacité de la combustion, l’énergie dégagée ou encore la vitesse de perte de masse. La production des fumées a été étudiée par la mesure du coefficient d’extinction qui caractérise leur opacité et permet d’obtenir le facteur d’émission des suies. Les facteurs d’émissions des principaux composés émis lors de la combustion de ces deux types d’aiguilles de pin ont été mesurés en continu à partir d’un analyseur Infrarouge à Transformée de Fourier et d’un analyseur Infrarouge Non Dispersif. Des analyses par chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur à ionisation de flamme et un spectromètre de masse nous ont permis de compléter ces mesures. Un bilan massique de carbone a également été réalisé afin de quantifier le carbone total mesuré dans nos analyses. Les principales contributions de notre travail sont les suivantes : l’étude du comportement au feu des aiguilles de P. pinaster a révélé des différences importantes pour la puissance dégagée aux échelles du cône calorimètre et du LSHR. En revanche, le système de combustion (propagation) n’influence pas cette grandeur. L’efficacité de la combustion est apparue peu dépendante de l’échelle et du système de combustion. Nous avons observé une influence de l’échelle de combustion sur la production totale des fumées (RSR) et sur le facteur d’émission des suies. Nous avons également montré que le système de combustion (la propagation) influence la dynamique et la valeur des facteurs d’émission de dioxyde et de monoxyde de carbone, composés majoritairement émis par ces combustions. Une influence de l’échelle et du système est également à noter sur les facteurs d’émissions des composés azotés et des COV émis pour les trois configurations expérimentales. Nous avons attribué les différences observées aux valeurs de températures des fumées. Enfin, une influence de la géométrie des particules a été mise en évidence par comparaison des combustions réalisées avec le cône calorimètre et le LSHR pour les deux types d’aiguilles de pin. La dynamique de combustion des aiguilles de Pinus laricio est moins affectée par le changement d’échelle que celle des aiguilles de Pinus pinaster (plus faible variation de la puissance de combustion). Nous avons également observé que les aiguilles de Pinus laricio, thermiquement plus fines que les aiguilles de Pinus pinaster présentent une valeur plus faible pour le facteur d’émission des suies. / Wildfires are characterized by a lot of scales of time and space. A multi-physics and multi-scale approach is required to consider the complexity of these phenomena. This thesis is an experimental contribution to the study of the scale effects and the effects of the system on the combustion dynamics of forest fuels and smoke emission. The aim of this work was to determine which experimental protocols and specifically which scales can be used to characterize the combustion of vegetal fuels in the laboratory. The reaction to fire of pine needles species representative of the Mediterranean ecosystem, (Pinus pinaster and Pinus laricio) has been studied. Litters of pine needles are an important issue because they sustain fire spread and are involved in the transition from a surface fire to a total fire.Three experimental configurations were studied in this thesis: the cone calorimeter scale; the large scale calorimeter or LSHR (allowing static combustion with larger masses than used with the cone); a fire spread in the LSHR, allowing to study the effect of the system on the dynamics of combustion and release of smoke. To compare these configurations, experimental protocols have been elaborated while keeping the same fuel load. Different parameters were studied to analyze the combustion dynamics such as combustion efficiency, heat released rate and mass loss rate. Smoke production was studied by measuring the coefficient of extinction to characterize their opacity and an estimation of the soot emission factor was derived. The emission factors of the main compounds emitted during the combustion of these two pines needles were measured with a Fourier Transform Infrared analyzer and a Non-dispersive infrared analyzer. Analysis by gas chromatography coupled with a flame ionization detector and a mass spectrometer allowed us to complete these measurements. A mass balance of carbon was also performed to quantify the total carbon measured through our analyzes.The main contributions of our work can be summarized as follow: the study of the burning of Pinus pinaster needles reveals significant differences for heat release rate (HRR) at both cone calorimeter and LSHR scales. However, the combustion system (fire spread) does not influence the HRR value at the LSHR scale. The combustion efficiency appeared to be independent with regard to the scale and the system. We observed a wide influence on the rate of smoke release and the emission factor of soot. We also shown that the combustion system (fire spread) influences the dynamics and value of emissions factors of carbon dioxide and carbon monoxide (major compound emitted for these combustions). An influence of the three experimental configurations on the emission factors of nitrogen compounds and VOC emissions was also noted. This difference was attributed to the level of smoke temperature. Finally, an effect of particles geometry was also pointed out by the comparison between the burnings performed with the cone calorimeter and the LSHR for both types of pine needles. The combustion dynamics of Pinus laricio needles was slighlty affected by changing scale in comparison to needles of Pinus pinaster (weak variation of HRR). We also observed that Pinus laricio’s needles, which are thermally thiner than Pinus pinaster ones have the lowest soot emission factor.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans ce manuscrit, nous trouverons l'étude et la caractérisation de 3 nouveaux matériaux pour le stockage chimique de l'hydrogène : l'hydrazine borane (N2H4BH3, HB avec 15.3 % m H) et les hydrazinidoboranes de lithium (LiN2H3BH3, LiHB avec 11.6 % m H) et de sodium (NaN2H3BH3, NaHB avec 8.8 % m H). Ces matériaux font partie de la famille des boranes, récemment envisagés comme des matériaux prometteurs pour le stockage chimique de l'hydrogène. Comme exemple type, nous pouvons citer l'ammoniaborane (NH3BH3, AB avec 19.6 % m H), car il possède une capacité massique théorique en hydrogène élevée et débute sa déshydrogénation à une température modérée (122°C). Cependant, la cinétique de déshydrogénation de AB est lente. En outre, des gaz nocifs à la pile à combustible, tel que de la borazine, sont émis au cours de la thermolyse. Dans ce contexte, des dérivés, à savoir les amidoboranes, ont été synthétisés pour améliorer les performances de AB. En effet, les amidoboranes de lithium (LiNH2BH3) et de sodium (NaNH2BH3) génèrent 10.9 et 7.5 % m H (respectivement) à 90°C sans période d'induction et sans formation de borazine. Pour notre étude, nous avons choisi de suivre une stratégie similaire de déstabilisation ; nous avons travaillé sur la modification chimique du HB. Dans le premier chapitre nous présentons le protocole de synthèse de HB ainsi que sa caractérisation chimique, structurale et thermique. La synthèse, une métathèse de sel, a été une optimisation du protocole mis en place en 1961 par Goubeau et Ricker. Nous l'avons optimisé en termes de coût, de rendement (≈ 80 %) et de pureté (≥ 99 %). Les caractérisations chimique et structurale nous ont révélé la présence d'un réseau de liaisons Hδ+•••Hδ-, ce qui confère à HB son état solide ainsi que sa stabilité à température ambiante. Cependant, ce réseau ne met pas en jeu la totalité des motifs de HB, au contraire de AB. Les caractérisations thermiques nous ont confirmé cette observation par une diminution de la température de début de déshydrogénation d'environ 60°C et l'absence de période d'induction lors de la décomposition isotherme. Aucune émission de borazine n'a été enregistrée. Cependant, nous avons mis en avant la formation de N2H4 et de NH3. Par des mesures volumétriques, nous avons enregistré que HB est capable de libérer 6.2 % m H en 3 h à 110°C. Les deux chapitres suivants traitent de la synthèse et caractérisation des hydrazinidoboranes de lithium (chapitre II) et de sodium (chapitre III). Les analyses chimique et structurale ont mis en avant une augmentation du degré de liberté du groupement BH3 pour ces deux matériaux par rapport celui de HB, mais aussi la présence d'un réseau de liaisons Hδ+•••Hδ- moins complexe que dans HB. La synthèse de LiHB donne lieu à la formation de deux polymorphes notés ici α- et β-LiHB. Dans nos conditions, NaHB et LiHB ont présenté des propriétés de déshydrogénation plus intéressantes que HB, avec une déshydrogénation totale lorsqu'ils sont tous deux soumis à une rampe de température. En outre, il a été remarqué une nette diminution de l'émission de NH3 (sans N2H4). Pour NaHB, cette émission peut être supprimée par l'ajout d'un excès de NaH lors de la synthèse. La cinétique de déshydrogénation est également améliorée. Nous avons enregistré une déshydrogénation quasi-totale en 1 h à 150°C pour LiHB (2.6 équiv. H2) et en 24 s à 110°C pour NaHB (2.5 équiv. H2). NaHB montre par ailleurs un comportement non conventionnel lors de sa décomposition à des températures supérieures à 100°C ; il libère la quasi-totalité de son hydrogène en quelques minutes à une vitesse de 4 L H2/min à 110°C. Ces matériaux ont donc démontrés leur potentiel pour le stockage chimique de l'hydrogène. / In this manuscript, we present the study and characterization of three new materials for chemical hydrogen storage: i.e. hydrazine borane (N2H4BH3, HB with 15.3 wt % H), lithium and sodium hydrazinidoboranes (LiN2H3BH3, LiHB with 11.6 wt % H and NaN2H3BH3, NaHB with wt 8.8 % H). These materials belong to boranes' family, which have recently been seen as promising materials for chemical hydrogen storage. A typical example of such materials is ammoniaborane, which has a high theoretical hydrogen content (NH3BH3, AB with 19.6 wt % H) and starts it dehydrogenation at moderate temperature (122°C). However, the dehydrogenation kinetics of AB is slow. In addition, some gaseous impurities are detected; e.g. borazine has been often reported to form. In this context, derivatives of AB, i.e. amidoboranes, have been synthesized with the objective to improve the dehydrogenation properties of the parent AB. Lithium and sodium amidoboranes (LiNH2BH3 and NaNH2BH3) generates 10.9 and 7.5 wt % H (respectively) at 90 ° C without any induction period and no borazine formation. For our study, we have chosen to follow a similar strategy in order to destabilize HB by chemical modification. In the first chapter, we report the synthesis protocol of HB and its chemical, structural and thermal characterizations. The synthesis, which is a salt metathesis, is an optimization of the protocol established in 1961 by Goubeau and Ricker. We optimized it in terms of cost, yield (≈ 80%) and purity (≥ 99%). The chemical and structural characterizations have revealed the presence of a Hδ+••• Hδ- network conferring the solid state to the borane as well as its stability in room conditions. However, the network does not involve all of the HB molecules unlike in the case of AB. Thermal characterizations have confirmed this observation through a decreased onset temperature of about 60 °C and the absence of an induction period. No emission of borazine was besides recorded. However, we put forward the formation of N2H4 and NH3. By volumetric measurements, we demonstrated that HB is able to release 6.2 wt % H2 in 3 h at 110 ° C. Chapters II and III deal with the synthesis and characterization of lithium (Chapter II) and sodium (Chapter III) hydrazinidoboranes. We performed detailed chemical and structural characterizations that revealed an increase of the degree of freedom of the BH3 group for these materials compared to HB, but also the presence of the Hδ+ •••Hδ- network but it is less complex than in HB. The LiHB synthesis has put forward the formation of two polymorphs, here noted α- and β-LiHB. In our conditions, Na- and Li-HB have presented more attractive dehydrogenation properties compared to HB, with a total dehydrogenation and a net decrease in the emission of NH3 (without N2H4) when both materials are subjected to a temperature ramp. The emission of unwanted NH3 can be hindered for NaHB by adding an excess of NaH during the synthesis. The dehydrogenation kinetics is also improved. We recorded an almost complete dehydrogenation with 2.6 equiv. H2 in 1 h at 150 ° C for LiHB and with 2.5 equiv. H2 in 24 s at 110 ° C for NaHB. Note that NaHB shows an unconventional behavior upon isothermal decomposition at temperatures above 100 ° C since it releases substantially all of its hydrogen in few minutes with the very high rate of 4 L H2/min at 110 ° C. These materials have thus demonstrated their potential for chemical hydrogen storage.

Un nanocalorimètre permet l'analyse thermique de très faibles quantités d'échantillons (quelques nanogrammes ou picogrammes), ainsi que l'étude de films minces dont l'épaisseur varie de quelques nanomètres à plus d'un micron. Les vitesses de chauffe et de refroidissement sont nettement plus élevées que celles réalisées avec une DSC classique : les vitesses de chauffe peuvent atteindre 103 à 106 K/s, par conséquent, les mesures réalisées avec ce type d'appareil sont très rapides (quelques millisecondes). Du fait de sa sensibilité élevée, des vitesses de chauffe rapides atteintes et de l'acquisition rapide des données, le nanocalorimètre peut être utilisé pour la caractérisation et la détection de quelques nanogrammes de matériaux énergétiques. Les objectifs de cette thèse sont d'une part de mettre au point une procédure de calibration des capteurs nanocalorimétriques (calibration de la température, de la puissance, de la masse du microcristal à analyser) et d'autre part de caractériser des matériaux énergétiques afin de pouvoir effectuer des analyses quantitatives en vue d'applications pour la détection d'explosifs. Les matériaux énergétiques étudiés sont des films de nitrocellulose, des cristaux de penthrite, d'hexogène (principal constituant du C4), de 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12- hexaazaisowurtzitane (Cl20), et des nano-cristaux d'explosifs. Le travail réalisé a montré qu'il est possible de rapidement différencier des explosifs par leurs températures de fusion, de décomposition et d'évaporation. Il est aussi possible de déterminer des paramètres cinétiques d'un cristal isolé d'explosif. / Calorimetry is one of the main techniques of thermal analysis. Most of physical or chemical modifications of material are associated with thermal effects whereby heat is absorbed (i.e., melting) or released (i.e., thermal decomposition). Typically, calorimetric experiments are performed with Differential Scanning Calorimetry (DSC), which measures the heat flux absorbed or released by the sample following the same temperature program as a reference material. In these experiments, measurements are typically carried out on a few milligrams of sample. However, for many applications one has to handle nanograms or even picograms of sample. One of such applications is relevant to studies of materials which can release a significant amount of energy during their decomposition (energetic materials). Calorimetry able to handle nanograms of sample could find potential applications in the field of explosives detection. Nanocalorimetry allows to heat small amounts of sample (a few nanograms to a few hundred picograms) at extreme heating rates, i.e. up to one million °C/s. The temperature increase can initiate several phenomena in energetic materials, therefore the calorimetry could be an appropriate technique to characterize and to detect energetic materials. The energetic materials used in this study are nitrocellulose (NC), hexogen (RDX), 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-ltexaazaisowurtzitane (CL-20) and penthrite (PETN). The manuscript presents our results on the nanocalorimeter calibration, on the thermal behaviour of the explosives studied with nanocalorimetry and also includes an evaluation of nanocalorimetry as a tool for explosives detection.

La glycobiologie structurale est la branche de la biologie qui étudie la structure et les interactions de glucides, molécules jouant des rôles d'extrême importance dans tous les organismes. Dans la première partie de la thèse, nous nous sommes intéressés à la structure 3D de deux glycoconjugués, la tricolorine A et un O-glycanne de la protéine de Tamm-Horsfall, en utilisant les méthodes de cristallographie et de modélisation moléculaire. Le sujet développé dans la deuxième partie est centré sur l'interaction de glucides avec leurs récepteurs protéiques, les lectines. Les lectines sont une importante classe de protéines avec la capacité de “lire” l'information biologique qui est codifiée dans la structure 3D des sucres. La cristallographie macromoléculaire en combinaison avec des techniques de biophysique, telles que la microcalorimétrie de titration, ont été utilisées pour élucider les bases structurales et thermodynamiques de la reconnaissance lectine-sucre. Deux lectines, produites par les bactéries pathogènes opportunistes Pseudomonas aeruginosa et Chromobacterium violaceum et ayant un rôle dans l'infectivité, ont été étudiées. La structure tridimensionnelle de la lectine de Psathyrella velutina, le premier membre d'un nouvelle famille des lectines de champignon a également été résolue.

La cryopréservation par vitrification est une technique qui devrait permettre de rallonger considérablement les durées de conservation des greffons en abaissant leur température de stockage jusqu'à – 196°C. Elle nécessite l'utilisation de solutions cryoprotectrices (contenant des antigels biocompatibles) pour empêcher la cristallisation de glace dans les tissus, ainsi que des vitesses de variation de la température relativement rapides. La calorimétrie différentielle à balayage permet de déterminer les vitesses requises pour la vitrification des solutions cryoprotectrices. L'exemple de l'éthylène glycol est présenté, complétant les informations connues sur ce cryoprotecteur dans la plage des concentrations concernant la vitrification. Au niveau de la procédure de vitrification, la méthode du recuit a permis d'éviter l'apparition de fractures dans des volumes importants de solution cryoprotectrice. Le cas particulier de la solution VM3 (21st Century Medicine) est détaillé. Il permet de montrer que la stabilité de l'état amorphe ainsi que la quantité de glace cristallisée au réchauffement sont influencées par la température et la durée du recuit. Une analyse sur l'influence du type et de la forme du container porte-échantillon par rapport à la qualité du verre fabriqué a été commencée en parallèle, mais les limites du dispositif cryogénique utilisé nous ont poussé à développer un nouveau cryostat automatisé, permettant de faire des études systématiques dans des conditions reproductibles. Ce cryostat, entièrement conçu et construit au CRTBT, représente le prototype de ce que nous souhaitons proposer à des médecins pour les aider dans leur étude clinique de la cryopreservation des systèmes biologiques. Sa précision de mesure et sa facilité d'utilisation nous a pour le moment permis de mettre en évidence différents événements ayant lieu pendant la vitrification et le réchauffement de nos échantillons.