Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des propriétés de stabilité et d'écoulement d'empilements granulaires confinés.<br />Nous avons tout d'abord étudié la stabilité d'un empilement granulaire confiné entre deux parois latérales et vu comment il était possible de modifier l'angle de repos d'un tel empilement en modifiant les propriétés de contact bille/paroi, notamment en utilisant un champ électrique extérieur. Nous avons ensuite étudié les propriétés générales d'écoulements stabilisés dynamiquement (SSH) , l'angle d'écoulement, leur taux de cisaillement et leur compacité en fonction des paramètres de contrôle (l'écart entre les parois latérales et le débit imposé).<br />Dans un deuxième temps nous avons réalisé une étude plus fine d'écoulement de type SSH. En combinant deux méthodes de mesure nous avons pu obtenir un profil de vitesse moyen d'écoulement sur plus de 10 décades. Les grains situés dans la phase quasi-statique d'écoulements SSH ont un mouvement intermittent de type « cage ». Ceci nous a permis de donner une interprétation de la décroissance exponentielle de la vitesse avec la profondeur ainsi que de la diminution du coefficient de frottement effectif aux parois obtenus numériquement.<br />Dans un dernier temps nous avons abordé l'érosion d'un empilement confiné lorsque l'on cesse de l'alimenter.

L'annulaire des conduites pétrolières flexibles est un espace confiné entre deux gaines polymère qui peut contenir de l'eau et du CO2. Il présente un rapport V/S entre le volume d'électrolyte et la surface d'acier exposée généralement compris entre 0,01 et 0,06 mL cm-2. Dans ce type d'environnement confiné, le pH est relativement élevé tandis que les vitesses de corrosion sont très faibles par rapport à la situation rencontrée en plein bain. Afin d'étudier cet effet de confinement, une cellule à couche mince originale a été développée et validée. Celle-ci comprend un système d'apport de gaz et un dispositif de contrôle du positionnement. Les effets de la chute ohmique ont ensuite été modélisés à l'aide d'une ligne de transmission afin de calculer l'impédance dans cette cellule. A partir de ce modèle, les impédances mesurées lors de la corrosion d'un acier faiblement allié recouvert d'un film mince d'électrolyte contenant du CO2 dissous ont été analysées. La diminution des vitesses de corrosion en milieu confiné est attribuée à un blocage de la surface active de l'acier par un film de sidérite isolant. Un modèle de corrosion tenant compte de ce blocage ainsi que de l'effet tampon induit par la présence de CO2 dissous a été développé. Les prévisions théoriques sont en bon accord avec les observations expérimentales à l'état stationnaire.

Un complexe de ruthénium supporté est synthétisé à l'intérieur d'une LUS, silice mésostructurée poreuse de type MCM-41, via une approche multi-étapes. L'ingénierie de surface est réalisée selon un procédé contrôlé de protection / déprotection des groupements silanols de surface. Un ancre moléculaire finalisée par un groupement pyridine, Py@LUS, est distribuée de manière homogène grâce à une technique de pochoir moléculaire, puis le complexe [Ru(dmp)2Cl2] (dmp = 2,9-diméthyl-1,10-phénantroline) est introduit. Les matériaux intermédiaires sont caractérisés à chaque étape par un panel de techniques, dont DRX, analyses élémentaires, ATG, 29Si et 13C MAS-NMR, DRUV, FT-IR, Raman et cyclovoltampérométrie. L'intégrité de la structure poreuse, la formation du complexe supporté et sa localisation au sein de l'espace confiné des pores de la matrice silicique sont confirmées. Le matériau final est actif et sélectif dans l'oxydation catalytique du thioanisole en sulfoxyde.

Des recherches sont actuellement menées, en France, pour traiter spécifiquement les déchets nucléaires de haute activité à vie longue, en particulier le césium. Le confinement du césium dans des matrices hautement durables constitue l'option privilégiée. La hollandite est une matrice de choix en raison de sa bonne capacité d'accueil du césium et de son excellente durabilité chimique. Lors de cette étude, diverses compositions de céramiques hollandite BaxCsyCzTi8-zO16 (C=Al3+,Cr3+,Ga3+,Fe3+,Mg2+,Sc3+), élaborées par voie oxyde, ont été caractérisées en terme de structure, microstructure et de propriétés physico-chimiques. Les Fe-hollandites (C=Fe) semblent les plus prometteuses. La stabilité de ces céramiques sous irradiation électronique externe, simulant les irradiations βγ du césium radioactif, a aussi été évaluée, au niveau macroscopique et atomique. La création des défauts ponctuels et leur stabilité thermique ont notamment été suivies par résonance paramagnétique électronique.

Une nouvelle matrice vitreuse riche en terres rares, capable d'incorporer les déchets issus du retraitement de combustibles nucléaires UOX à hauts taux de combustion (60 GWj/t, à comparer à 33 GWj/t pour le combustible de référence actuel) a été mise au point et étudiée au niveau structural. Sa composition molaire simplifiée est la suivante : 61 ,79 SiO2 - 8,94 B2O3 - 3,05 Al2O3 - 14,41 Na2O - 6,32 CaO - 1,89 ZrO2 - 3,60 TR2O3 (avec TR = La, Ce, Pr et Nd) En particulier, l'environnement local autour de la terre rare et l'influence des autres constituants du verre (Si, B, Al, Na, Ca) sur celui-ci ont été étudiés à l'aide de différentes séries de verres de compositions dérivées du verre retenu. Grâce à leur analyse d'une part par absorption optique basse température et par EXAFS au seuil LIII du néodyme et d'autre part par spectroscopie Raman et par RMN 29Si, 27Al et 11B, différentes hypothèses sur la structure du verre et sur l'environnement de la terre rare ont pu être proposées.

Le but de ce travail est d'étudier la possibilité d'intégrer à faible coût des sources optiques dans les circuits électroniques. Les matériaux organiques apparaissent comme de bons candidats car il est aisé de les déposer sur toutes sortes de substrats et certains matériaux électroluminescents ont un très bon rendement. Les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) ont une émission très large, tant sur le plan spectral que sur le plan angulaire, ce qui en fait des composants peu adaptés à la réalisation d'interconnexions optiques. Nous avons donc travaillé sur des OLEDs à microcavités résonnantes, qui ont été fabriquées sur des substrats de silicium oxydé thermiquement. La caractérisation optique a permis de mettre en évidence l'influence des microcavités sur la forme des spectres et les diagrammes angulaires d'émission. Grâce aux caractéristiques optiques de deux microcavités, nous avons déterminé la variation de l'indice de l'ITO en fonction de la longueur d'onde. L'émission monochromatique est concentrée dans des lobes orientés selon les directions vérifiant la condition de résonance, ce qui produit une augmentation de l'intensité rayonnée selon ces directions. Nous avons observé dans nos structures une amplification selon la normale d'un facteur compris entre 11,3 et 15,3. Nous avons également vérifié qu'une microcavité ne modifie quasiment pas l'intensité lumineuse totale émise par la diode. Ces résultats sont en accord avec notre modélisation. La caractérisation électrique des échantillons a montré que la résistance de l'ITO n'a pas une influence déterminante sur les caractéristiques courant - tension des OLEDs, et qu'un recuit de l'ITO n'apporte aucune amélioration. Il existe un certain retard entre l'établissement du champ électrique et le début de l'électroluminescence, causé par une ou des barrières de potentiel. Les fréquences de coupure qui ont été mesurées sont comprises entre 6,3 kHz et 8,5 kHz

L'objectif de cette thèse réside notamment dans l'étude par diffusion Raman de la dynamique vibrationnelle de nanoparticules métalliques en matrice. Grâce au couplage des vibrations avec le plasmon de surface des particules (diffusion Raman résonnante), la diffusion est fortement amplifiée, ce qui conduit à un signal très intense au regard de la faible quantité de matière métallique présente dans les films nanocomposites étudiés. Les caractéristiques structurales de ces films diffèrent selon la méthode d'élaboration utilisée: source d'agrégats à vaporisation laser et co-déposition des particules et de la matrice par la technique LECBD, co-pulvérisation ionique du métal et de la matrice, ou encore fabrication de verres dopés. Les spectres Raman basse fréquence sont dominés par la bande correspondant à la diffusion par les vibrations quadrupolaires. Dans le cas de l'argent, la position de cette bande varie avec la taille des particules conformément aux prédictions du modèle de la sphère élastique, ainsi qu'avec la longueur d'onde d'excitation, ce qui reflète une sélection en forme des particules diffusant la lumière. Des mesures réalisées dans deux configurations de polarisation des lumières incidente et diffusée confirment cette hypothèse. Un effet de cohérence spatiale sur la diffusion Raman a été mis en évidence en comparant des spectres d'échantillons ayant ou non subis un recuit. L'origine de cet effet est justifiée par quelques considérations théoriques. La diffusion Raman par les vibrations radiales des particules, observée sur des échantillons traités thermiquement, donne lieu à une comparaison intéressante avec des résultats extérieurs, obtenus par une technique de spectroscopie résolue en temps. Le problème des particules mixtes est aussi abordé à travers l'étude de plusieurs systèmes bimétalliques formant, soit un alliage, comme l'or-argent, soit un «core-shell» lorsqu'il y a ségrégation des deux métaux, comme le suggèrent les mesures effectuées sur des particules d'argent-nickel et d'argent-cobalt. Ce travail de recherche a aussi fait l'objet d'une étude par diffusion haute fréquence sur les échantillons recuits de particules d'argent en matrice de silice. Une bande large, dont le maximum est localisé vers 1000 1/cm, est observée et présente des comportements, vis-à-vis de la taille des particules et de l'excitation, très semblables à ceux de la bande basse fréquence. Une discussion sur l'origine de cette diffusion attribuerait plutôt celle-ci à des excitations de paires électron-trou.

Le confinement nanométrique permet d'obtenir la frustration des fluctuations et/ou des transitions de phases spontanées qu'un fluide moléculaire présente en volume (i.e. en " bulk "). Le confinement au sein de matrices poreuses est donc une voie usuelle de stabilisation de phases métastables. Nous détaillons ici les propriétés structurales, dynamiques et thermodynamiques de deux systèmes moléculaires confinés : dans un premier chapitre, nous nous intéressons au cas de l'eau puis, dans un deuxième chapitre, nous traitons le cas spécifique d'un polymère semi-cristallin. Le confinement permet d'abaisser considérablement le point de fusion du fluide confiné. Cette propriété a été récemment mise à profit dans la cadre de nombreux travaux visant à tester l'existence d'un hypothétique point critique à basse température dans l'eau volumique à 228 K and 100 MPa. Dans cette contribution, nous mettons en évidence des propriétés dynamiques surprenantes de l'eau interfaciale à basse température (de 100 à 300 K). Nous proposons un modèle de percolation décrivant les transitions dynamiques et thermodynamiques que nous observons à 150, 220 et 240 K. Nous proposons une description cohérente de cette eau à deux dimensions et de ses propriétés. Nous invoquons le rôle dominant des interactions de surface pour remettre en cause la pertinence de l'utilisation de l'eau confinée pour prouver l'existence d'un point critique à basse température dans l'eau volumique. Cette étude met cependant en évidence l'existence d'une transition liquide-liquide (l'une des conditions pour observer un point critique) impliquant des molécules d'eau. Récemment, un " effet corset " a été proposé : le confinement induirait une réduction d'un ordre de grandeur du diamètre du tube de reptation d'un polymère (quelques nanomètres en volume contre quelques angströms sous confinement). Dans le second chapitre, nous utilisons une approche par diffusion de neutrons pour accéder à une description multi-échelles de la dynamique d'un polymère (en volume puis sous confinement) de l'échelle atomique à temps court (picosecondes) jusqu'à une dizaine de nanomètres, à temps long (600 nanosecondes). Cette étude détaillée de la dépendance spatiale de la relaxation temporelle des chaînes de polymère ne permet pas de mettre en évidence d'"effet corset ". De façon générale, lorsque l'on cherche à tirer profit du confinement nanométrique pour obtenir des "effets de volume", en plus d'"effets de surface" parasites décrits dans le premier chapitre, on est également confronté à une perte significative d'information induite par la moyenne spatiale des observables spectroscopiques. Nous décrivons dans le deuxième chapitre comment utiliser des matrices de confinement orientées macroscopiquement pour s'affranchir de ces effets indésirables et/ou limitants. Dans le troisième et dernier chapitre, nous définissons un système de confinement nanométrique qui permet d'associer i) une orientation macroscopique des pores et ii) une absence totale d'interactions de surface. Un tel système permet d'envisager des effets de volume unidimensionnels très significatifs et ayant une portée sur des distances macroscopiques. Nous discutons pourquoi de tels " tuyaux nanométriques" peuvent potentiellement intéresser à la fois la recherche fondamentale et l'industrie.

Dans le domaine de la fusion par confinement inertiel (FCI), l'équation d'état (EoS) de l'hydrogène et de ses isotopes est très certainement une des propriétés les plus importantes à connaître. Les EoS basées sur des modèles chimiques peinent à donner une description univoque de l'hydrogène dans le domaine de couplage et de dégénérescence partiels, appelé matière dense et tiède, ou Warm Dense Matter (WDM). En effets, ces modèles utilisent des potentiels ad hoc pour décrire les interactions à N corps dont les effets sont importants dans la WDM. Au contraire, les méthodes de calcul ab initio s'affranchissent de ces approximations en résolvant de manière exacte (ou presque) le problème quantique à N corps et sont donc particulièrement pertinentes dans ce domaine. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons comment nous avons construit une table d'EoS multi-phase de l'hydrogène, à partir de méthodes de calcul ab initio dans le domaine de la WDM. Nous montrons notamment que cette EoS est en très bon accord avec la plupart des données expérimentales disponibles (Hugoniot principale, vitesse du son dans le fluide moléculaire, courbe de fusion à basse pression, mesures de chocs multiples). Dans la deuxième partie, nous présentons une application directe de notre EoS en montrant son influence sur les critères d'allumage et de combustion de deux types de cibles pour la FCI : une cible auto-allumante qui sera utilisée sur le Laser MegaJoule (LMJ), et une cible destinée à l'allumage par choc. Nous montrons notamment que l'optimisation de l'impulsion laser permettant de maximiser l'énergie thermonucléaire dégagée par les cibles est fortement dépendante de la précision de l'EoS dans le domaine de couplage et de dégénérescence forts.

Nous avons modélisé les propriétés structurales et électroniques d'hétérostructures de nanofils de nitrures GaN/AlN à l'aide de méthodes de simulation atomistiques. Nous avons tout d'abord construit un champ de forces " à la Keating "' pour les matériaux wurtzite afin de calculer les positions atomiques et la distribution des contraintes dans ces hétérostructures. Grâce à ce modèle, nous avons pu suggérer la présence ou confirmer l'absence de dislocations dans différentes hétérostructures de nanofils GaN/AlN caractérisées expérimentalement par microscopie électronique et diffraction de rayons X. Nous avons ensuite étudié les propriétés électroniques et optiques de ces nanostructures avec la méthode des liaisons fortes. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'effet des champs électriques internes sur les nanofils GaN/AlN. Les expériences de spectroscopie optique ont en effet mis en évidence un important décalage vers le rouge (effet Stark confiné) des raies de luminescence de ces fils, consécutif à la séparation des électrons et des trous par les champs pyro- et piezoélectriques. Ce décalage est toutefois inférieur à celui mesuré sur des puits et des boîtes de dimensions équivalentes. Pour l'expliquer, nous avons montré qu'il était essentiel de tenir compte de l'écrantage du champ électrique par les charges déplacées par celui-ci, et en particulier depuis les états de surface des nanofils. Nous avons notamment proposé un modèle analytique simple pour comprendre les tendances et aider la conception des hétérostructures de nanofils de nitrures.