Du fait de leurs propriétés intrinsèques exceptionnelles, les nanotubes de carbone (CNTs) sont des matériaux bien adaptés pour renforcer les polymères thermodurcissables. Le nanocomposite multifonctionnel ainsi obtenu possède des propriétés électriques, thermiques et mécaniques sensiblement meilleures que le polymère seul, ce qui lui procure de nombreuses applications potentielles, et tout particulièrement dans le domaine de l’électronique ou de l’aéronautique. Le but de cette thèse de doctorat est orienté suivant deux axes. Il s’agit dans un premier temps de mettre au point un matériau nanocomposite avec des propriétés multifonctionnelles à partir de techniques d’élaborations efficaces. Puis dans un second temps, l’objectif consiste à proposer des alternatives permettant d’améliorer ces propriétés. Le premier chapitre de cette thèse établit une revue de l’état de l’art au sujet des matériaux qui ont été étudiés au cours de ce travail de recherche. Parmi ces matériaux, nous pouvons citer tout particulièrement les CNTs, les renforts hybrides nano/micrométriques constitués de CNTs et d’alumine, les polymères conducteurs électroniques et les polymères thermodurcissables. Il s’agit plus précisément de présenter pour chaque matériau les techniques d’élaboration, leurs structures et finalement leurs propriétés. Dans la seconde partie du manuscrit, nous décrivons en premier lieu les procédés d’élaboration permettant d’obtenir des nanocomposites conformes aux normes internationales. Ensuite, nous présentons les différentes techniques de caractérisation de ces nanomatériaux. Il s’agit notamment de déterminer les phénomènes de transports électriques et thermiques. Des techniques d’analyses supplémentaires permettent de mieux comprendre la structure des matériaux obtenus dans une gamme d’échelle allant de l’état macroscopique à l’atomique. Ainsi, nous avons eu recours à l’utilisation de la microscopie électronique à balayage et en transmission, et aussi la microscopie à force atomique (AFM). Différentes études spectroscopiques de types : Raman, perte d’énergie des électrons (EELS), photoélectrons X (XPS) fournissent des informations additionnelles sur ces matériaux. Les résultats obtenus sur ces nanocomposites en matière de transports électronique et thermique montrent que certaines améliorations sont nécessaires pour optimiser les propriétés multifonctionnelles de ces nanomatériaux. Nous avons concentré nos efforts sur les phénomènes physicochimiques à l’interface matrice/renfort. Par conséquent, nous avons décidé de modifier la surface des CNTs afin de favoriser la cohésion matrice/renfort, mais aussi et surtout, pour diminuer les résistances de contacts entre les CNTs lorsqu’ils sont distribués aléatoirement dans une matrice polymère. Le dernier chapitre de la thèse s’articule autour de la fonctionnalisation des CNTs par un polymère conducteur électronique (ECP). Dans un premier temps, nous avons mis au point des techniques électrochimiques permettant de déposer une couche homogène d’épaisseur nanométrique d’ECP à la surface des CNTs. Ce polymère conducteur et en même temps biocompatible est le polypyrrole (Ppy). La précision et l’efficacité de notre démarche sont démontrées par les différents outils de caractérisation, et tout particulièrement grâce à la microscopie électronique en transmission à haute résolution. Des études supplémentaires par AFM couplé à un résiscope ont montré l’évolution de la résistance électrique d’hybrides CNT-Ppy plus ou moins isolés. Dans une seconde partie, nous avons mis au point une méthode permettant de contrôler finement l’épaisseur de Ppy déposé à la surface des CNTs. / Carbon nanotubes (CNTs) are ideal candidates to reinforce thermoset polymers due to their exceptional intrinsic properties. The resulting multifunctional nanocomposite has electrical, thermal and mechanical properties sensitively higher than pristine polymer. Therefore, this new material possesses various potential applications, and particularly in the domain of electronics and aerospace. The aim of this PhD thesis is oriented towards two directions. In the first one, we establish efficient techniques to produce composite materials with multifunctional properties. Then, the objective consists in the enhancement of these properties by proposing valuable alternatives to previous results cited in the litterature. In the first chapter, we present the state of the art research concerning the materials studied during this work. Among these, there are in particular: CNTs, hybrids constituted of CNTs and alumina microparticles, electronically conducting and thermoset polymers. Moreover, this chapter deals with the characteristics of each material, i.e. elaboration techniques, structures and properties. The second chapter of the manuscript contains first, the elaboration techniques allowing the synthesis of high quality nanocomposites according to international standards. Then, we analyze the properties of these nanomaterials, and particularly in terms of electrical and thermal transports. Further characterization procedures allow better understanding of the obtained structures in a domain ranging from macroscopic to atomic scales. This is realized using scanning/transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, EELS, XPS, and AFM. Electrical and thermal conductivity measurements obtained on these new materials give prominence to the necessity of some improvements. Thereby, we have focused our research on the physico-chemical phenomena at the matrix/filler interface. We have proposed to modify the surface of CNTs, in order to favour the matrix/filler cohesion, but also and mainly to decrease contact resistances between the randomly distributed CNTs within the polymer matrix. Finally, the last chapter deals with the surface functionalization of CNTs using electrochemistry. First, we have implemented an accurate technique to deposit a nanometric layer of electronically conducting polymer on the surface of CNTs. This conducting polymer, namely polypyrrole (Ppy) is in the meantime biocompatible. The accuracy and efficiency of our approach are demonstrated through various characterization techniques, and particularly using transmission electron microscopy. Further studies using AFM coupled with a resiscope indicate the electrical resistance distribution performed on CNT-Ppy hybrids. In the second part of this chapter, we present our method to control precisely the thickness of the Ppy layer around the CNTs.

L’augmentation des concentrations atmosphériques en CO2, et le forçage radiatif induit, mobilise la communauté scientifique à étudier les potentialités des écosystèmes à fixer puis stocker le carbone. Les mangroves représentent un des écosystèmes les plus productifs au monde. Cependant, 50% de sa productivité primaire nette n’est pas identifiée dans le devenir du carbone organique produit. Ainsi les flux de CO2, proxy de la minéralisation de la matière organique, issus des sols de mangrove ainsi que de leurs chenaux, sont considérée comme sous-estimés. Cette thèse a eu pour objectifs de comprendre la variabilité spatio-temporelle des flux de CO2 issus de ces deux compartiments. Une mangrove de la côte ouest de la Nouvelle Calédonie, présentant une zonation de type tanne nu, Avicennia sp. et Rhizophora spp., a été étudiée. La position dans la zone intertidale semble être un paramètre déterminant dans la variabilité des flux. D’une part, elle détermine des paramètres abiotiques susceptibles d’affecter la dégradation de la matière organique, et d’autre part, définit partiellement la végétation colonisant le milieu, qui en retour pourra affecter les flux. La variabilité saisonnière est, quant à elle, fortement liée à l’évolution de la température et de l’humidité du sol. Les chenaux de mangrove sont riches en éléments organiques et inorganique dissous, vraisemblablement du fait d’apports advectifs des eaux interstitielles, et présentent une sursaturation marquée en CO2. Les chenaux ainsi que la rivière traversant la mangrove fonctionnent, comme sont une source nette de CO2 pour l’atmosphère. Cependant, les apports de carbone de la mangrove vers l’estuaire semblent être rapidement dilués par les masses d’eau lagonnaires. Finalement, la variabilité saisonnière des flux de CO2 issus de la colonne d’eau semble être liée principalement à l’évolution des apports de carbone organique provenant des bassins versants notamment lors de dépressions tropicales, et donc le rôle de la mangrove dans la productivité du lagon reste flou, et devra être démontré à l’aide d’outils moléculaires. / The increase of atmospheric CO2 concentrations, and its radiative effect, mobilizes the scientific community to explore the potential of ecosystems to fix and store carbon. Mangroves are one of the most productive ecosystems in the world. However, 50% of its net primary productivity is not identified in the fate of the organic carbon produced. CO2 fluxes, which are a proxy of organic matter mineralization, from mangrove soils and their channels are considered underestimated. The purpose of this thesis was to understand the spatio-temporal variability of CO2 fluxes from these two compartments. A mangrove forest on the west coast of New Caledonia, composed of a saltflat, Avicennia sp. and Rhizophora spp. was studied. Elevation in the intertidal zone seems to be a determining factor in fluxes variability. On the one hand, it determines the abiotic parameters that affect the degradation of organic matter, and on the other hand, elevation partially defines the vegetation colonizing the environment, which in turn may affect the fluxes. Fluxes seasonal variability is closely linked to the evolution of temperature and soil moisture. Mangrove creeks are rich in dissolved organic and inorganic compounds, presumably due to the advection of porewaters, and are thus characterized by CO2 oversaturation. Creeks and the river crossing the mangrove are a net source of CO2 to the atmosphere. However, the contribution of mangrove-derived carbon to the estuary seems to be rapidly diluted by lagoon waters. Finally, the seasonal variability of CO2 fluxes from the water column appears to be related primarily to the evolution of organic carbon inputs from watersheds notably during tropical depressions, and thus the role of mangroves in the lagoon productivity remains unclear, and should be studied using molecular tools.

Le changement climatique appartient à une nouvelle classe de problèmes environnementaux, pour laquelle nous ne savons pas concevoir de solutions. En effet, dans le cas de pollutions dites classiques, c'est-à-dire des pollutions ciblées et localisées, des solutions techniques sont supposées atteignables à un effort de recherche près. A l'inverse, lutter contre le changement climatique nécessite de repenser en profondeur l'organisation de nos sociétés modernes. Le pilotage de cette transition sociétale dite bas carbone nécessite de concevoir de nouveaux dispositifs institutionnels. Traditionnellement, les théories néo-institutionnelles, qui se sont penchées sur la question de l'innovation institutionnelle, se sont centrées sur la question de la diffusion de l'innovation et ne nous proposent pas d'outils satisfaisants pour instruire la conception de dispositifs institutionnels. Face aux limites de nos modèles de développement dont le changement climatique n'est qu'un des nombreux symptômes (crises financières répétées, chocs pétroliers, etc.) cette lacune théorique devient une question à traiter en urgence. Ce travail de thèse étudie les mécanismes de la “conception institutionnelle” à travers le cas très actuel des marchés du carbone. Nous avons construit deux notions pour analyser ces mécanismes : la notion de plateforme expérimentale et la notion de travail institutionnel de conception. Enfin, nous avons travaillé la notion de bricolage, et les conditions d'efficacité de cette activité de conception dans un contexte d'innovation institutionnelle. / Climate change belongs to a new category of environmental issues, for which we don't know how to design solutions. Indeed, it is possible to treat traditional pollutions using technical solutions that are already known. To the contrary, mitigating climate change involves a profound revision of the organizational models that support our modern societies. The institutional device to guide this low carbon transition still needs to be designed. Traditionally, the question of institutional innovation is addressed in a field of organization theories named “neo-institutional theory”. Nevertheless, research in this field has focused on the diffusion of institutional innovation, but not on the design of institutional innovation itself. In a global context of crisis of our societal models, there is an emergency for this gap to be explored. In the context of institutional theory, this work analyzes the mechanisms of “institutional design” through the case of carbon markets. We build two notions that help to better understand the mechanisms at play: the notion of experimental platforms and the notion of institutional design work. Eventually, we build on previous work in management sciences on the concept of bricolage to identify the efficiency conditions of this design activity.

Au niveau global, il a été estimé qu’une augmentation de 4% de l’albédo (ou réflectivité) de la surface provoquerait une diminution de 0,7° de la température d’équilibre de la Terre. Or les propriétés des surfaces (dont l’albédo) changent sous la pression climatique et l’action de l’homme. Parallèlement à ce changement des propriétés de surface un débat divise la communauté scientifique sur une éventuelle diminution ou augmentation du rayonnement incident à la surface depuis le milieu des années 1980 (conséquence d’une augmentation ou diminution de la concentration d’aérosols dans l’atmosphère). La Terre est un système complexe piloté en sa surface par 3 cycles (énergie, eau et carbone). Ces cycles ne sont pas insensibles à ces changements de propriété de réflectivité de surface, de rayonnement solaire incident ou de concentration en aérosols. Certains avancent ainsi qu’une augmentation du rayonnement diffus durant les dernières décennies aurait déjà entraîné un excédent de captation de carbone par la végétation de 9.3%. La problématique ici soulevée est d’évaluer l’apport de la connaissance du flux solaire absorbé par la surface (combinaison du rayonnement solaire et de l’albédo de surface) et plus particulièrement par sa partie végétative pour le suivi des flux d’énergie, d’eau et de carbone. Dans ce travail, j’ai fait appel à l’observation satellitaire et à la modélisation du transfert radiatif pour cartographier la dynamique du rayonnement solaire absorbé par la surface et sur la verticale de la végétation. Dans un premier temps, chacune des sources d’incertitudes sur le rayonnement incident, sur l’albédo de surface mais aussi sur la répartition du rayonnement entre les hétérogénéités horizontales et verticales à la surface furent quantifiées. Puis tout en discutant l’effet de ces incertitudes, j’ai mesuré l’apport de l’utilisation de cette cartographie par satellite du rayonnement solaire absorbé pour estimer les flux d’énergie et d’eau en surface ; ce qui améliora les scores de prévision du temps à court terme et permis également de suggérer des rétroactions à l’échelle climatique sur des zones sensibles tel le Sahel. Aussi une correction de biais de 15% sur l’estimation de la production primaire brute de carbone à l’échelle planétaire démontra l’importance des développements réalisés afin de caractériser les hétérogénéités verticales dans le couvert. Finalement, ce travail m’a conduit à chiffrer l’impact de la méconnaissance des variabilités spatiales et temporelles des propriétés des aérosols (concentration et type). J’ai montré que le suivi au cours du temps des propriétés de directionalité de la réflectivité de surface (tel abordé dans la première partie de mon étude) pouvait aussi permettre de remonter à la quantité d’aérosol dans l’atmosphère. L’utilisation d’observations issues de satellite géostationnaire permet d’estimer la concentration en aérosol avec la même qualité mais avec une fréquence de détection plus élevée (x5 environ) que les méthodes classiques. Enfin, ce travail dresse des pistes pour améliorer la détection des changements des propriétés de réflectivité de surface et d’aérosols de l’atmosphère, et atteindre un suivi encore meilleur des cycles biogéochimiques de la biosphère terrestre. / It is known that a global 4% increase of land surface albedo (also called reflectivity) may result approximately in a decrease of 0.7°C in the Earth’s equilibrium temperature. Nowadays the surface properties (including albedo) are changing under climatic and human pressure. At the same time, there is a debate that divides the scientific community about the potential trends (increase or decrease) affecting the surface incoming solar radiation since mid-1980 (resulting of a decrease or increase of aerosol concentration in the atmosphere, respectively). The Earth is a complex system driven at the surface level by three cycles (energy, water, and carbon). These cycles are not insensitive to changes of surface reflectivity, incoming radiation, or aerosol properties. For example, some argue that the increase of diffuse radiation during the last decades would have led to an exceed of carbon uptake by the Earth’s vegetation of 9.3%. The main issue raised here is to assess the added value of the knowledge in absorbed solar radiation by the surface (combination of incoming solar radiation with surface albedo) and, especially, by the vegetation for the monitoring of energy, water and carbon fluxes.In this work, I have used satellite observations and modeled the radiative transfer theory in order to make dynamic mapping of solar radiation absorbed by the surface and through the vertical dimension of the vegetation. First, I quantified each uncertainty source affecting incoming solar radiation, surface albedo and the way radiation is split between horizontal and vertical heterogeneity. In a second step, I measured the added value of using this absorbed radiation mapping of the surface by satellite to estimate the energy and water fluxes at the surface. The resulting improved scores of weather forecast models in the short-range time scale suggested potential feedbacks at the climatic time scale over sensible areas such as the Sahel region. Another significant outcome is that the developments proposed to better characterize the vertical heterogeneity within the canopy led to an improvement of 15% of annual global terrestrial gross primary production (GPP). Moreover, this study has led to measure the impact of the lack of knowledge of spatial and temporal variability of aerosol properties (concentration and type). I have shown that the tracking of temporal changes of directional properties of reflectance allows me to retrieve to the amount of aerosols in the atmosphere as precisely as other widely used methods but with a higher frequency (5 times more) by using data from geostationary satellite. Finally, this study addresses some possibilities to better track temporal changes of properties of reflectivity of surface and aerosol of atmosphere, and to access to a better monitoring of biogeochemical cycles of the terrestrial biosphere.

Le paludisme est une des maladies tropicales les plus dévastatrices au monde causée par des parasites protozoaires intracellulaires du genre Plasmodium. Cinq espèces de plasmodies sont responsables du paludisme chez l'homme et causent 600 000 décès par an principalement chez les enfants de moins de 5 ans et les femmes enceintes vivant dans les régions les plus pauvres du globe. Les parasites ont généré une résistance contre les chimiothérapies existantes et aucun vaccin efficace n'est encore disponible. Il est donc impératif d'identifier et de valider de nouvelles cibles qui peuvent être exploitées pour la découverte de nouveaux médicaments.Cette étude a porté sur la caractérisation d'un enzyme, la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), produit d'un gène spécifique au parasite et absent chez l'hôte humain, ce qui constitue l'un des pré-requis d'une cible potentielle pour la découverte de médicaments. Le gène avait été montré comme essentiel pour des parasites seulement en absence de malate ou de fumarate, suggérant un rôle de la protéine dans le métabolisme du carbone intermédiaire des parasites.Mes études de thèse avaient pour but de caractériser le rôle de la PEPC en utilisant la métabolomique. J'ai d'abord établi et normalisé une méthodologie d'analyses métabolomiques des globules rouges infectés par Plasmodium et optimisé l'analyse des métabolites hydrophiles présents dans le parasite intracellulaire et sa cellule hôte. Nous nous sommes concentrés sur les métabolites du métabolisme du carbone intermédiaire, où la PEPC pouvait jouer un rôle déterminant par analogie avec les plantes et les bactéries. Des analyses ciblées utilisant un marquage isotopique du métabolome à partir de 13C-U-glucose, 13C-bicarbonate et 13C, 15N-glutamine ont aussi été réalisées permettant de mieux appréhender les conséquences d'un KO de l'enzyme PEPC sur le métabolisme du parasite.Les données montrent que l'enzyme PEPC permet une fixation du bicarbonate et catalyse une réaction anaplérotique conduisant à du malate qui est introduit dans le cycle de l'acide tricarboxylique mitochondrial, transférant ainsi des équivalents réducteurs du cytoplasme à la mitochondrie et fournissant aussi un point d'entrée du squelette carboné dans le cycle. Les résultats montrent surtout que les parasites possèdent un cycle complet et de type oxydatif de l'acide tricarboxylique mitochondrial. Il parait y avoir trois points d'entrée: 1. l'acétyl CoA résultant du pyruvate généré par la glycolyse et décarboxylé dans la mitochondrie; 2. l'acide alpha-cétoglutarique provenant du glutamate, qui lui-même résulte de la désamination de la glutamine essentiellement fournie par l'environnement externe; 3. le malate, produit en aval de la malate déshydrogénase qui réduit l'oxaloacétate produit par la PEPC. En aval de la PEPC, la biosynthèse des pyrimidines opère grâce à l'activité de l'aspartate aminotransférase agissant sur oxaloacétate.En dehors du malate, le fumarate est le seul autre métabolite qui permet de s'opposer au défaut de croissance des parasites déficients en PEPC, ce qui a conduit à évaluer le rôle de la fumarase. À cette fin, l'étiquetage du gène endogène fumarase avec une étiquette HA, a permis de montrer que la protéine est exprimée dans les stades intra-érythrocytaires de P. falciparum et de montrer que la protéine se trouve à la fois dans la mitochondrie et le cytoplasme. La protéine recombinante a été exprimée avec succès et partiellement caractérisée biochimiquement. De nombreuses tentatives visant à générer des mutants de délétion génétique de P. falciparum n'ont pas abouti, laissant en suspens la question du caractère essentiel du gène pour les parasites. Cependant, il est possible de cibler le locus du gène via un marquage C-terminal. Ceci suggère que l'enzyme peut être essentielle pour la survie du parasite et donc une cible exploitable pour la découverte d'un type nouveau de médicament antipaludique. / Malaria is one of the world's most devastating tropical diseases caused by obligate intracellular protozoan parasites of the genus Plasmodium. Five species of these parasites cause malaria in humans and infection results in ~600,000 deaths annually primarily in children under the age of 5 and pregnant women living in the poorest areas of the globe. The parasites have an outstanding ability to generate resistance against existing chemotherapies and an efficacious vaccine is not available yet. Therefore it is imperative that attempts are being made to identify and validate new targets that can be exploited for future drug discovery.This study focused on the validation and elucidation of a parasite-specific gene product namely phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), which is not present in the human host and thus has one of the pre-requisites of a potential drug target. The gene had been previously genetically validated and it was demonstrated that mutant parasites lacking pepc were only viable in the presence of malate or fumarate, suggesting a role of the protein in intermediary carbon metabolism of the parasites.My studies had the goal to assess the role of PEPC using a metabolomics approach. Initially the methodologies to perform metabolomics analyses of Plasmodium-infected RBCs were established and standardised and it was assessed how to best analyse the hydrophilic metabolites present in the intracellular parasites and its host cell. We focused on metabolites of intermediary carbon metabolism, as it is likely that PEPC is important for metabolic functions linked to this in the parasites, in analogy to plants and bacteria. While global metabolomics analyses were appealing, it was decided to apply a targeted metabolomics and comparative approach using stable isotope labelling of the parasite metabolomes with 13C-U-glucose, 13C-bicarbonate and 13C-,15N-glutamine to assess the consequences of the pepc knockout on parasite metabolism.The data demonstrated that PEPC has an anaplerotic function fixing bicarbonate and leading to generation of malate that is fed into the mitochondrial tricarboxylic acid cycle and so transfers reducing equivalents from cytoplasm to mitochondrion as well as providing an entry point of carbon skeleton into the cycle. The most important findings with respect to parasite mitochondrial metabolism were that the parasites possess a complete and oxidative tricarboxylic acid cycle, which appears to have three entry points: 1. Acetyl CoA resulting from glycolytically generated pyruvate that is decarboxylated in the mitochondrion; 2. α-ketoglutarate from the reaction of glutamate dehydrogenase and 3. malate, which is a downstream product of malate dehydrogenase that reduces oxaloacetate the reaction product of PEPC. Other downstream reactions supported by PEPC activity are pyrimidine biosynthesis through the activity of aspartate aminotransferase also acting on the PEPC-derived oxaloacetate.Apart from malate, fumarate was the only other metabolite that reversed the growth defect of pepc mutant parasites. Hence the role of fumarase in the parasites was also assessed. To this end the endogenous fumarase gene of P. falciparum was tagged with an HA-tag, which showed that the protein is expressed in the intra-erythrocytic stages of P. falciparum and demonstrated that the protein is located in both mitochondrion and cytoplasm. In addition, the recombinant protein was produced and partially biochemically characterised. Numerous independent attempts to generate genetic deletion mutants of P. falciparum were unsuccessful, leaving the question whether the gene is essential for the parasites unanswered. However, it was possible to manipulate the locus by C-terminal tagging of the fumarase gene suggesting that fumarase might be indeed essential for parasite survival and therefore possibly suitable for future drug design and discovery.

Dans le domaine du photovoltaïque, les cellules hybrides organiques sont une des voies les plus prometteuses, notamment grâce aux propriétés de collection de lumière des molécules de type chromophore. Les nanotubes de carbone, quant à eux, sont des nano-objets quasi unidimensionnels qui présentent des propriétés de transport exceptionnelles. La réalisation d’un couplage important entre une molécule collectrice de lumière et un nanotube de carbone représente donc une voie importante à explorer. Ce travail de recherche est consacré à l’étude du transfert d’énergie dans les composés nanotubes de carbone/chromophore. Une nouvelle méthode de fonctionnalisation non covalente des nanotubes de carbone est présentée. Basée sur une suspension micellaire de nanotubes, cette méthode permet d’obtenir un fort taux de fonctionnalisation tout en préservant les propriétés intrinsèques des nanotubes. Le transfert d’énergie est mis en évidence sur les composés nanotube/porphyrine par des mesures d’excitation de la photoluminescence sur ensemble de nanotubes ainsi que sur objets uniques. L’évaluation du rendement quantique de transfert par trois méthodes indépendantes montre un couplage de l’ordre de 100% entre la molécule et le nanotube- et ce malgré la faiblesse des interactions entre orbitales «Pi» mises en jeu dans la fonctionnalisation non covalente. Le dernier volet de ce travail est consacré à des mesures d’anisotropie à l’échelle de l’objet unique permettant d’obtenir des informations quant à l’arrangement des molécules à la surface des nanotubes. / In the field of photovoltaic, hybrid organic solar cells are one of the most promising ways, especially due to the light collection properties of chromophore molecules. On the other hand, carbon nanotubes are quasi one-dimensional nano-objects showing exceptional transport properties. The achievement of a significant coupling between a light harvesting molecule and a carbon nanotube is an important route to explore. This research is dedicated to the study of energy transfer in carbon nanotube/chromophore compounds. A new method of non-covalent functionalization of carbon nanotubes is presented. Based on a micellar suspension of nanotubes, this method provides a high degree of functionalization while preserving the intrinsic properties of nanotubes. The energy transfer is shown in nanotube/porphyrin compounds by photoluminescence excitation spectroscopy on ensembles as well as at the single molecule scale. The evaluation of the quantum efficiency of the transfer by three independent methods shows a coupling of the order of 100% between the molecule and the nanotube, despite the weak interactions between “Pi” orbitals involved in the non-covalent functionalization. The final part of this work is dedicated to anisotropy measurements on single compounds to gain information on molecular arrangement on the surface of nanotubes.

Les premières formes de vie sur Terre seraient apparues durant l’Archéen, il y a 4 à 2,5 milliards d’années. Durant cette période, les océans et l’atmosphère étaient anoxiques. Vers la fin de cet éon, la concentration en dioxygène a brusquement augmenté grâce à la photosynthèse, contribuant à la Grande Oxygénation de la Terre. Toutefois, en raison de la rareté des microorganismes fossiles connus, les métabolismes actifs à cette époque restent mal compris. Le fractionnement des isotopes stables du carbone est souvent utilisé comme un critère de biogénicité et pour l’appréciation des voies métaboliques présentes. Ces fractionnements peuvent être le résultat d’au moins six à huit voies de fixation du carbone. Pour étudier l’histoire évolutive des voies de fixation du carbone et de déterminer leur ordre d’émergence, j’ai appliqué une approche phylogénomique sur l’importante diversité microbienne récemment découverte. Le but était d’identifier les voies responsables des signatures isotopiques du carbone datant de l’éon Archéen inférieur (>3,2 milliards d’années). Le premier chapitre constitue une revue récente sur la diversité, l’écologie et l’évolution des Archaea. J’ai construit une phylogénie de référence des Archaea, robuste et incluant un nombre important de nouveaux génomes. Cette phylogénie m’a permis de mettre en évidence de nouveaux clades d’Archaea pour lesquels j’ai proposé des nouveaux noms. De plus, j’ai examiné la distribution des gènes marqueurs classiquement utilisés dans la taxonomie des Archaea. Dans le chapitre 2, j’ai assemblé différents jeux de données pour construire des phylogénies de référence pour les bactéries. Ceci m’a permis de discuter la classification au sein de ce domaine et la position de quelques groupes proches de la racine. Ces phylogénies des Archaea et Bacteria m’ont servi de cadre pour retracer l’évolution des voies de fixation du carbone. J’ai ensuite étudié la voie de Wood-Ljungdahl (WL) qui est considérée comme la forme la plus ancienne de fixation du carbone mais dont les origines restent encore controversées. J’ai assemblé des banques de données locales englobant 6400 génomes et couvrant toute la diversité connue des archées et des bactéries. Ces banques ont été utilisées pour des recherches exhaustives des homologues des enzymes de la branche carbonyle (chapitre 3) et méthyle basée sur la tétrahydrométhanoptérine (H4MPT; chapitre 4) de la voie de WL. Ces analyses m’ont permis d’inférer la présence d’une forme fonctionnelle de la branche carbonyle chez LUCA (Last Universal Common Ancestor). Cette voie a ensuite été héritée verticalement chez les archées et bactéries en gardant la co-localisation de ses gènes, à l’exception de quelques rares transferts intra et inter-domaines. La branche méthyle-H4MPT semble être apparue chez les archées puis transférée aux bactéries chez lesquelles elle serait impliquée dans la syntrophie ou l’assimilation du carbone. A la suite de gains et de pertes de gènes au sein de cette branche, elle a ensuite été successivement adaptée pour la méthylotrophie anaérobie, la détoxification du formaldéhyde, et la méthylotrophie aérobie. Ces résultats indiquant l’origine de la voie de WL à l’Archéen m’ont permis d’interpréter les signatures isotopiques du carbone et d’apporter des éléments sur la composition de l’atmosphère à la fin de cet éon. Enfin, dans le chapitre 5, j’ai étudié l’histoire évolutive des autres voies de fixation du carbone (Calvin-Benson-Bassham, Reductive Hexulose Phosphate, reverse Krebs, 3-hydroxypropionate bicycle, 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate, dicarboxylate/4-hydroxybutyrate). Mes résultats préliminaires m’ont permis de discuter la présence possible de ces voies pendant l’Archéen. / Life on Earth emerged during the Archean Eon (4-2.5 billion years ago). At the time the oceans and atmosphere were anoxic, and oxygen rose at the end of the Eon as a result of oxygenic photosynthesis, in what is known as the Great Oxygenation Event. Anaerobic microorganisms and metabolisms are expected to have operated at the time. However, the specifics are poorly understood, since the fossil record is scarce. The fractionation of stable carbon isotopes is often used as a criterion of biogenicity but also to interpret possible metabolic processes. Such fractionations can arise from at least six to eight different carbon fixation pathways. I took advantage of the newly available microbial diversity, and applied a phylogenomic approach to elucidate the evolutionary history of carbon fixation pathways, and determine their relative order of emergence. The aim was to deduce which ones would have been responsible for the isotopic signatures in the lower Archean (before 3.2 billion years). In the first Chapter, I reviewed the recent literature on the diversity, ecology, and evolution of Archaea. I constructed a well-resolved reference phylogeny taking into account all the novel lineages, for which genomic information has recently become available. I assigned names to some of them, as well as to some of the taxonomic units that were recovered from the phylogeny. Then I examined the distribution of genes that have been used in the past as taxonomic markers for the Archaea. Similarly, in Chapter 2, I constructed well-resolved bacterial phylogenies using different datasets, and used them to map the distribution of potential marker genes. I then discussed the taxonomic classification of Bacteria above phylum level, and the position of some possibly deep-branching phyla. From these endeavors, I gleaned highly resolved phylogenies of Bacteria and Archaea which were then used to map the evolution of carbon fixation pathways. Next, I analyzed the evolution of the Wood-Ljungdahl pathway. It is believed to be the most ancient form of carbon fixation but its origins have been controversial. I assembled local databanks of over 6400 genomes of Bacteria and Archaea encompassing all their known diversity. These were used to perform exhaustive homology searches for the components of the carbonyl (Chapter 3) and tetrahydromethanoperin (H4MPT; Chapter 4) methyl branches. A functional form of the carbonyl branch was found to date back to the Last Universal Common Ancestor. It was then inherited mostly vertically across Bacteria and Archaea with its genes remaining co-localized, except for a few rare intra and interdomain transfers. The H4MPT branch seems to have originated in Archaea and was subsequently transferred to Bacteria where its original role was probably related with hydrogen syntrophy or as a carbon assimilation electron sink. Afterward, through gene gains and losses linking the branch with other pathways, it came to be used in anaerobic methylotrophy and formaldehyde detoxification, and finally in aerobic methylotrophy. These results highlight a presence of the Wood-Ljungdahl pathway throughout the Archean, and also allow me to discuss possible inferences on the composition of the atmosphere and the interpretation of some late Archean carbon isotopic signatures.Finally, in Chapter 5, I attempt to determine the earliest possible origin for the remaining carbon fixation pathways (Calvin-Benson-Bassham, Reductive Hexulose Phosphate, reverse Krebs, 3-hydroxypropionate bicycle, 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate, dicarboxylate/4-hydroxybutyrate), by studying the evolution of their marker genes. I managed to deduce some possible constraints about the presence of these pathways in the Archean. My results contribute to expanding our knowledge on early life, the Last Universal Common Ancestor, and the evolution of carbon fixation. They also shed light on the processes on the Archean Earth from the perspective of microbial evolution.

La photonique silicium est reconnue comme la technologie à même de répondre aux nouveaux défis des interconnexions optiques. Néanmoins, la photonique silicium doit faire face à d'importants défis. En effet, le Si ne peux pas émettre ou détecter de la lumière dans la plage de longueurs d'onde des télécom (1,3 µm à 1,5 µm). Par conséquent, les sources et les détecteurs sont mis en œuvre avec du Ge et des matériaux III-V. Cette approche multi-matériaux complique la fabrication des dispositifs et augmente le coût final du circuit. Cependant, les nanomatériaux ont été identifiés comme alternative pour la mise en œuvre d’émetteurs-récepteurs moins chers et plus petits.Cette thèse est dédiée à l'étude et au développement de dispositifs optiques et optoélectroniques sur la plateforme photonique silicium basés sur l’utilisation de nanotubes de carbone mono paroi (SWCNT). L’objectif principal est de démontrer les blocs fonctionnels de base qui ouvriront la voie à une nouvelle technologie photonique dans laquelle les propietés actives proviennent des nanotubes de carbone.Les nanotubes de carbone ont été étudiés comme matériaux pour la nanoélectronique avec la démonstration de transistors ultra-compacts à hautes performances. De plus, les SWCNTs semi-conducteurs (s-SWCNTs) sont également des matériaux très intéressants pour la photonique. Les s-SWCNTs présentent une bande interdite directe qui peut être ajustée dans la gamme de longueurs d'onde du proche infrarouge en choisissant le bon diamètre. Les s-SWCNT présentent une photoluminescence et une électroluminescence, pouvant être exploitées pour la mise en œuvre de sources de lumière. Ils présentent également diverses bandes d’absorption pour la réalisation de photodétecteurs. Ces propriétés font que les nanotubes de carbone sont des candidats très prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques pour la photonique.Le premier objectif de la thèse était l'optimisation des solutions de nanotubes de carbone. Une technique de tri par ultra-centrifugation assistée par polymère a été optimisée, donnant des solutions de haute pureté en s-SWCNT. Sur cette base, plusieurs solutions de s-SWCNTs ont été élaborées pour obtenir des SWCNTs émettant dans les longueurs d'onde comprise entre 1µm et 1,6µm.Le deuxième objectif était d’étudier l'interaction des s-SWCNT avec des guides d'onde silicium et des résonateurs optiques. Plusieurs géométries ont été étudiées dans le but de maximiser l'interaction des s-SWCNT avec le mode optique en exploitant la composante transverse du champ électrique. D'autre part, une approche alternative a été proposée et démontrée en utilisant la composante longitudinale du champ électrique. En utilisant la composante longitudinale, une amélioration de la photoluminescence, un seuil d’émission avec la puissance de pompe ainsi qu’un rétrécissement de la largeur spectrale des résonances dans les microdisques ont été observés. Ces résultats sont un premier pas très prometteur vers la démonstration d’un laser intégré à base de SWNTs.Le troisième objectif était d'étudier les dispositifs optoélectroniques à base de s-SWCNTs. Plus spécifiquement, une diode électroluminescente (DEL) et un photodétecteur ont été développés, permettant la démonstration du premier lien optoélectronique sur puce basé sur les s-SWCNT.Le dernier objectif de la thèse était d'explorer le potentiel de s-SWCNT pour l’optique non linéaire. Il a été démontré expérimentalement, qu’en choisissant la chiralité des s-SWCNTs, le signe du coefficient Kerr pouvait être soit positif ou négatif. Cette capacité unique ouvre un nouveau degré de liberté pour contrôler les effets non linéaires sur puce, permettant de compenser ou d'améliorer les effets non linéaires pour des applications variées. / Silicon photonics is widely recognized as an enabling technology for next generation optical interconnects. Nevertheless, silicon photonics has to address some important challenges. Si cannot provide efficient light emission or detection in telecommunication wavelength range (1.3μm-1.5μm). Thus sources and detectors are implemented with Ge and III-V compounds. This multi-material approach complicates device fabrication, offsetting the low-cost of Si photonics. Nanomaterials are a promising alternative route for the implementation of faster, cheaper, and smaller transceivers for datacom applications.This thesis is dedicated to the development of active silicon photonics devices based on single wall carbon nanotubes (SWCNTs). The main goal is to implement the basic building blocks that will pave the route towards a new Si photonics technology where all active devices are implemented with the same technological process based on a low-cost carbon-based material, i.e. SWCNT.Indeed, carbon nanotubes are an interesting solution for nanoelectronics, where they provide high-performance transistors. Semiconducting SWCNT exhibit a direct bandgap that can be tuned all along the near infrared wavelength range just by choosing the right tube diameter. s-SWCNTs provide room-temperature photo- and electro- luminescence and have been demonstrated to yield intrinsic gain, making them an appealing material for the implementation of sources. SWCNTs also present various absorption bands, allowing the realization of photodetectors.The first objective of this thesis was the optimization of the purity of s-SWCNT solutions. A polymer-sorting technique has been developed and optimized, yielding high-purity s-SWCNT solutions. Based on this technique, several solutions have been obtained yielding emission between 1µm and 1.6µm wavelengths.The second objective was the demonstration of efficient interaction of s-SWCNT with silicon photonics structures. Different geometries have been theoretically and experimentally studied, aiming at maximizing the interaction of s-SWCNT with optical modes, exploiting the electric field component transversal to light propagation. An alternative approach to maximize the interaction of s-SWCNT and the longitudinal electric field component of waveguide modes was proposed. Both, a power emission threshold and a linewidth narrowing were observed in several micro disk resonators. These results are a very promising first step to go towards the demonstration of an integrated laser based on CNTs.The third objective was to study optoelectronic SWCNT devices. More specifically, on-chip light emitting diode (LED) and photodetector have been developed, allowing the demonstration of the first optoelectronic link based on s-SWCNT. s-SWCNT-based LED and photodetector were integrated onto a silicon nitride waveguide connecting them and forming an optical link. First photodetectors exhibited a responsivity of 0.1 mA/W, while the complete link yielded photocurrents of 1 nA/V.The last objective of the thesis was to explore the nonlinear properties of s-SWCNT integrated on silicon nitride waveguides. Here, it has been experimentally shown, for the first time, that by choosing the proper s-SWCNT chirality, the sign of the nonlinear Kerr coefficient of hybrid waveguide can be positive or negative. This unique tuning capability opens a new degree of freedom to control nonlinear effects on chip, enabling to compensate or enhancing nonlinear effects for different applications.

Cette thèse porte sur la catalyse supportée sur nanotubes de carbone. Plusieurs aspects ont été étudiés, électrocatalyse pour la production d'hydrogène à partir d'eau, catalyse pour la synthèse organique et électrocatalyse de la réaction de réduction de l'oxygène. Différents catalyseurs ont été synthétisés à partir d'assemblages supramoléculaires de molécules amphiphiles autour de nanotubes de carbone ou d'adhésion de molécules polyaromatiques à la surface des nanotubes et ont impliqué l'utilisation de catalyseur moléculaire ou nanoparticulaire. L'utilisation de ces catalyseurs pour les différents types de réactions mentionnés plus haut ont abouti à des résultats intéressants. / This PhD thesis deals with the catalysis supported on carbon nanotubes. Several aspects have been studied such as electrocatalysis for hydrogen production form water, catalysis for organic synthesis and electrocatalysis of the oxygen reduction reaction. Many different catalysts have been synthesized based on supramolecular assembly of amphiphilic molecules around carbon nanotubes or assembly of polyaromatic molecules at the surface of the nanotubes. These catalysts are made of metallic complexes or metallic nanoparticles. These catalysts have been successfully used to perform the reactions mentioned above.

L'océan côtier subit la convergence de nombreuses perturbations anthropiques, avec le changement climatique en première ligne. Le réchauffement, l'acidification de l'océan, l'eutrophisation et la désoxygénation se combinent en menaçant les écosystèmes côtiers et les activités humaines associées. Malheureusement, la très forte hétérogénéité spatiale et temporelle de l'océan côtier limite la compréhension des processus biogéochimiques impliqués et leurs réponses face aux perturbations anthropiques. Les bases de données actuelles d'observations côtières sont encore insuffisantes et les modèles biogéochimiques océaniques globaux ont longtemps été inadaptés à l'étude de l'océan côtier global. En effet, la résolution spatiale de ces modèles était trop grossière pour résoudre de manière pertinente les processus de petites échelles. L'augmentation de la puissance de calcul des supercalculateurs permet l'utilisation de grilles de modèle plus fines adaptées à l'étude de l'océan côtier. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier l'évolution au cours des dernières décennies de la biogéochimie de l'océan côtier à l'échelle globale à l'aide du modèle couplé physique-biogéochimie NEMO-PISCES. Après une évaluation de la représentation globale de la biogéochimie côtière et du cycle du carbone côtier dans notre modèle océanique, nous estimons le rôle actuel de l'océan côtier dans l'absorption océanique de carbone anthropique et nous étudions l'impact de la perturbation anthropique des apports fluviaux sur la biogéochimie côtière. En utilisant 3 grilles de résolutions spatiales différentes (200 km, 50 km et 25 km), il a été estimé que l'utilisation de la grille de 50 km représente le meilleur compromis entre les trois résolutions testées et que le passage à 25 km ne montre pas d'améliorations significatives des champs biogéochimiques côtiers évalués. Après cette première évaluation, le puits de carbone anthropique de l'océan côtier a été estimé pour la première fois à partir d'un modèle 3D global. L'océan côtier absorberait ainsi seulement 4,5 % du carbone anthropique absorbé par l'océan global pour la période 1993-2012 alors qu'il représente 7,5 % de la surface océanique globale. L'absorption côtière est réduite par l'export limité du carbone anthropique vers l'océan ouvert ne permettant pas de réduire la concentration moyenne de carbone anthropique des eaux côtières au niveau de celle de la couche de mélange de l'océan ouvert. Enfin, les effets de la perturbation anthropique des apports fluviaux sur la biogéochimie côtière ont été jugés limités quant intégrés à l'échelle côtière globale. Cependant, ces perturbations sont très contrastées régionalement. La mer du Nord présente des variations biogéochimiques mineures du fait de la tendance locale modérée appliquée aux apports fluviaux en nutriments, comparée à la mer de Chine de l'Est où la forte augmentation des apports fluviaux provoque d'importants phénomènes de désoxygénation et d'acidification. / The coastal ocean suffers from the convergence of multiple anthropogenic stressors with climate change at the forefront. Combined stresses from global warming, ocean acidification, eutrophication and deoxygenation threaten coastal ecosystems and thus their services that humans rely on. Unfortunately, the coastal ocean's large spatiotemporal heterogeneity limits our understanding of the biogeochemical processes involved and their responses to anthropogenic perturbations. The current database of coastal observations remains insufficient, and global biogeochemical ocean models have long been inadequate to the study of the global coastal ocean. Indeed, the spatial resolution of these models has been too coarse to resolve key small-scale coastal processes. However, continual improvements in computational resources now allow global simulations to be made with sufficiently high model resolution that begins to be suitable for coastal ocean studies. In this thesis, we propose to study the evolution of the coastal ocean biogeochemistry at the global scale over recent decades using higher resolution versions of the global physical-biogeochemical model NEMO-PISCES. After evaluating of the global representation of the coastal biogeochemistry in this ocean model, we estimate the current role of the coastal ocean in the ocean uptake of anthropogenic carbon and we study the impact of the anthropogenically driven changes in riverine inputs on the coastal biogeochemistry. From simulations made at 3 different spatial resolutions (200 km, 50 km, 25 km), we esteem that the 50-km model grid offers the best compromise between quality of results and computational cost. The upgrade to 25 km does not appear to provide significant improvement in model skill of simulating coastal biogeochemical fields. After evaluating the model, we provide an estimate of the coastal-ocean sink of anthropogenic carbon, the first study to do so with a global 3-D model. In our simulation, the coastal zone absorbs only 4.5% of the anthropogenic carbon taken up by the global ocean during 1993-2012, less than the 7.5% proportion of coastal-to-global-ocean surface areas. Coastal uptake is weakened due to a bottleneck in offshore transport, which is inadequate to reduce the mean anthropogenic carbon concentration of coastal waters to the average level found in the open-ocean mixed layer. Finally, the anthropogenic perturbation in riverine delivery of nutrients to the ocean has limited impact on the coastal carbon cycle when integrated across all coastal regions, but locally it can induce sharp biogeochemical contrasts. For example, the North Sea shows minor biogeochemical changes following the moderate local trend in nutrient riverine inputs, which is in dramatic contrast to the East China Sea where extensive deoxygenation and acidification are driven by sharp increases in riverine nutrient inputs.