Les matériaux composites à matrice polymères renforcés aux fibres de carbone (PRFC) sont de plus en plus utilisés dans les avions, en raison de leur faible densité et de leurs propriétés mécaniques comparables aux alliages généralement utilisés. Ils sont cependant sensibles aux impacts répétés des particules solides et liquides intervenant au cours du cycle de vol d’un avion, et nécessitent d’être protégés. Cette thèse est inscrite dans ce contexte de protection des PRFC, plus particulièrement ceux à matrice époxy, par le biais de dépôts anti-usure réalisés par projection plasma sous air. De tels recherche ont été menées auparavant avec pour résultats des dépôts céramique et métallique peu adhérents, sur des composites fortement endommagés par le procédé. Les travaux de cette thèse ont donc été organisés autour de deux objectifs :- Objectif fondamental : comprendre les interactions entre les particules fondues et le composite. Grâce à une étude multiéchelles d’impacts de gouttes sur le composite, la résine époxy et sa dégradation thermique ont été identifiés comme responsable de la mauvaise adhérence des dépôts projetés par plasma sur les PRFC.- Objectif expérimental. Déterminer la faisabilité de réaliser un revêtement anti-usure par projection plasma sur PRFC. Deux traitements de surface avant dépôt ont été choisis puis testés, en conditions d’impacts de particules isolées et de formation de dépôts. Des dépôts d’alumine ont pu être obtenus, sans dégradation thermique ou mécanique du composite. / Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) are increasingly used in aircraft structures, due to their good strength to weight ratio. However, they are more sensitive to the impacts of solid and liquid particles, occurring during the aircraft flight cycle, and thus need to be protected. This work focuses on the protection of carbon fiber reinforced epoxy by air plasma spraying (APS). Numerous studies have been conducted on applying such coatings, but the obtained metallic and ceramic coatings show poor adhesion strength, and the underlying composite material is damaged by the APS process. This PhD is organized around two objectives:- Fundamental objective: understand the interactions between molten particles and the composite. A multi-scale study of droplets impacts on the composite led to identify the epoxy resin as responsible for the poor adhesion strength of air plasma sprayed coatings on CFRPs.- Experimental objective: determine the feasibility of producing an anti-wear coating by plasma spraying on CFRP. Two surface treatments prior to APS were chosen and tested in single particles impacts and coating formation. Alumina coatings have been obtained, without thermal or mechanical degradation of the underlying composite.

L'ozone troposphérique est un gaz à effet de serre et un puissant oxydant qui impacte la santé et la production végétale. Afin d'analyser son impact sur le fonctionnement de la végétation il est nécessaire d'effectuer une partition entre le dépôt stomatique, qui pénètre à l'intérieur des feuilles, et le dépôt non stomatique, qui résulte de la destruction chimique de l'ozone sur les cuticules foliaires, le sol ou dans l'air à l'intérieur du couvert. L'objectif central de ce travail de thèse est d'améliorer la compréhension et la modélisation des processus impliqués dans le dépôt non stomatique d'ozone et plus particulièrement dans le dépôt sur les films d'eau à la surface des feuilles. Le modèle de transfert de masse et d'énergie sol-végétation-atmosphère MuSICA, capable d'estimer les quantités d'eau sur le feuillage à différents niveaux dans le couvert, a permis de modéliser la solubilisation puis la diffusion et réaction de l'ozone dans l'eau sur les feuilles. Cette voie de dépôt a permis d'expliquer les flux d'ozone observés sur blé en conditions humides en ajustant les valeurs du taux de réaction chimique de l'ozone dans le film d'eau de 103 s 1 en début de saison à 105 s 1 pendant la sénescence. Ce taux semble varier entre les espèces végétales (blé, hêtre et pin maritime) mais la tendance avec la sénescence persiste. Ces résultats ont été confortés par un dispositif expérimental original en laboratoire, sur blé, hêtre, pin blanc et chêne pédonculé. Des échanges de composés chimiques entre la feuille et le film d'eau réactifs avec l'ozone pourraient expliquer les ordres de grandeur obtenus et l'augmentation du taux de réaction en période de senescence. / Tropospheric ozone is a greenhouse gas but also a powerful oxidant that impacts vegetation health and productivity. In order to analyse the impact of ozone on vegetation functioning it is necessary to separate stomatal ozone deposition that penetrates inside the leaf interiors from non-stomatal deposition that result from ozone chemical destruction on leaf cuticles, in the soil or in the air inside the canopy. The central objective of this PhD work is to improve our understanding and modelling of the processes involved in non-stomatal ozone deposition and more specifically in ozone deposition on water films on leaf surfaces. For that purpose I used the soil-vegetation-atmosphere transfer model of mass and energy MuSICA. The choice of this model was motivated by its ability to estimate the quantities of water on foliage at different levels inside the canopy. This allowed me to model ozone dissolution, diffusion and reaction in the water film on wet leaves. This new deposition pathway could explain observed ozone fluxes over wheat in wet conditions by adjusting the chemical reaction rate of ozone in the water film from 103 s 1 at the beginning of the growing season, up to 105 s 1 during senescence. This reaction rate seemed to vary between species (wheat, beech, maritime pine) but the trend with the senescence remained. These results were then confirmed by lab experiments using an original setup, on wheat and beech, but also white pine and pedunculate oak. Exchanges of chemical compounds between the leaf and the water film that would react with ozone could explain the order of magnitude of the reaction rate and its increase during senescence.

Le graphène est un matériau prometteur pour de nombreuses applications du fait de ses propriétés exceptionnelles. Cependant, à la fois les propriétés et les rendements des graphènes et dérivés sont très variables et dépendants de la méthode de production utilisée. De ce fait, la méthode de production doit être développée en accord avec les besoins liés à l'application visée. Dans cette thèse, différents nanomatériaux dérivés du graphène ont été préparés en employant deux méthodes différentes, l'exfoliation en milieu liquide et la synthèse directe par dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CVD), et une compréhension fondamentale sur la production de graphène a été acquise. Ces deux méthodes sont prometteuses en termes de qualité, de possibilité de production à grande échelle, de cout de production et enfin d'applications des différents "graphènes" obtenus. D'une part, l'exfoliation en milieu liquide permet de produire des dérivés du graphène tels que le few-layer graphene (FLG (<5 feuillets)) à relativement grande échelle, pour des applications telles que les nanocomposites. Le défi principal consiste à augmenter la concentration en FLG autant que possible, tout en conservant une bonne qualité. De ce fait, une étude comparative de l'exfoliation dans l'alcool isopropylique de 3 poudres de graphite différentes a été entreprise. Des suspensions de FLG de concentration élevée (?1,1 mg/ml) ont été obtenues en partant de poudre de graphite de surface spécifique élevée, par sonication dans l'alcool isopropylique (cuve, 90 min). Ces nanoparticules ont ensuite été incorporées dans des nanocomposites à matrice alumine. Ainsi, nous avons préparé par frittage SPS des nanocomposites à matrice céramique possédant des propriétés mécaniques, thermiques et électriques anisotropes. D'autre part, des films de graphène alliant une grande surface, prometteurs pour des applications dans le domaine de l'électronique, ont été synthétisés par CVD basse pression sur des feuilles de Cu. L'influence de l'atmosphère pendant le traitement thermique et la nature du catalyseur sur le niveau d'impuretés, la qualité des films de graphène synthétisés et leur uniformité en termes de nombre de feuillets a été étudiée. Des films de graphène CVD de haute qualité (très peu de désordre de structure) ont été utilisés pour la réalisation de dispositifs. Ces derniers ont été caractérisés à température ambiante en mesurant leur résistance électrique en fonction de la tension grille ainsi que par des mesures de transport en régime d'effet Hall quantique (basse température et forts champs magnétiques - pulsés). Les résultats préliminaires obtenus confirment que du graphène mono-feuillet possédant une bonne mobilité électronique atteignant jusqu'à 46500 cm²/Vs à température ambiante a pu être synthétisé avec succès. / Graphene is a promising material for many applications due to its unique properties. However, properties and yield of graphene-based materials show variations depending on which production route is used. Therefore, an appropriate production method has to be preferred according to the requirements of a specific application. In this thesis study, graphene-based materials have been successfully produced by liquid phase exfoliation (LPE) and chemical vapor deposition (CVD), which are promising graphene production methods in terms of quality, scalability, cost and applicability of the produced material to relevant applications, and a fundamental understanding on graphene production has been developed. LPE route allows one to produce graphene-based materials at a large-scale for applications such as nanocomposites. The challenge of this method is to increase graphene concentration as much as possible while maintaining the quality of the graphene flakes. Therefore, a comparative study, at which three different graphite-based powders were investigated as starting materials for an effective exfoliation process in isopropyl alcohol (IPA), was performed. High concentration (?1.1 mg/ml), few-layer (?5 layers) graphene-based dispersions were prepared by sonication in IPA within 90 min by utilizing a high surface area graphite nano-powder. This graphene-based material was then incorporated into Al2O3 matrix nanocomposites as a reinforcing/filler phase. Ceramic matrix nanocomposites which exhibit anisotropic mechanical, thermal and electrical properties have been successfully prepared by spark plasma sintering. On the other hand, large-area graphene films, which are promising for electronic applications, were synthesized via low-pressure CVD method over Cu-foils. The influence of ramping atmosphere and Cu foil characteristics on the impurity level, quality of the synthesized graphene films and their thickness uniformity was investigated. High quality CVD-grown graphene films with a significantly reduced disorder level were used for device fabrication and characterized in terms of their electrical resistance at room temperature as a function of gate voltage and transport property measurements in Quantum Hall Effect (QHE) regime (at low temperature and high magnetic field) by pulsed magnetic field experiments. The preliminary results confirmed that single layer graphene with a relatively high electronic mobility reaching up to ?46500 cm2/Vs at room temperature was successfully produced.

L’actuelle méthode de clarification du vin de Champagne à l’issue de sa seconde fermentation est basée sur une manipulation mécanique des bouteilles, principalement au travers de machines de remuage telles que des Gyropalettes. Le principe consiste à imprimer à la bouteille un ensemble ordonné de rotations et d’inclinaisons pour permettre le regroupement et le transport d’un dépôt (issu des étapes précédentes de vinifications), initialement réparti sur une surface importante de la bouteille, en un agrégat concentré dans la bague de cette dernière. Cette manipulation a toujours été pratiquée de façon empirique, basée sur des résultats d’observations in situ. En conséquence, les élaborateurs exécutent cette opération de remuage à partir de ce constat, sans avoir la possibilité d’optimiser le processus de façon plus efficace. Or, cette opération est consommatrice d’espace, de moyens et surtout de temps et ce, dans un contexte d’augmentation des volumes traités. C’est pourquoi, à travers cette thèse, nous présenterons une nouvelle méthode de travail basée sur l’utilisation de vibrations. Pour ce faire et afin de juger l’influence des paramètres et l’efficacité de la solution technique choisie, un ensemble d’outils ont été créés et éprouvés pendant les essais. Ils s’appuient sur l’observation et la quantification des évolutions des phénomènes dans la bouteille. Cette voie est encourageante et permet de réduire la durée du processus en conservant une qualité identique à celle du remuage traditionnel. / The current method of Champagne wine clarification, at the end of its second fermentation, is based on a mechanical manipulation of bottles; and it is essentially executed by machines such as Gyropalettes (« remuage » or riddling process). The process consists on handling the bottle by an orderly set of rotations and tilts to group and move a sediment (outcome of the previous step of winemaking), initially present over an important surface inside the bottle, into a concentrated aggregate in the bottle’s neck. The manipulation has been elaborated empirically; it was based on observations results. Therefore the elaborators execute the riddling operation empirically without having the possibility of optimizing this process in a more efficient way. Also, and because of the increased handled volume nowadays, this operation needs space, time and working tools. That’s why, through this thesis, we shall present a new working method based on imposed vibrations. My study aims to present a new working method based on imposed vibrations. In order to study the parameters influencing the process and the efficiency of the chosen technical solution, a set of tools based on observation and quantification of the phenomena’s evolution inside the bottle, were created and tested. As a conclusion, on the one hand this method reduces the time needed, and on the other hand it leads to the same result in terms of quality.

Ce travail de thèse porte sur la croissance par dépôt laser pulsé (PLD) et l’étude des propriétés dedifférents systèmes d’oxydes pérovskites. Ainsi, les hétérostructures LaAlO3/SrTiO3, SrVO3/SrTiO3,LaAlO3/SrVO3 ont fait l’objet de travaux de recherche. Ces études ont été menées afin d’analyser lespropriétés des interfaces de ces différents systèmes composés, notamment, de titane et devanadium, deux métaux de transition et ainsi d’étudier et de comparer les effets de l’orbitale 3d enpassant d’une configuration 3d0, pour Ti, à 3d1, pour V.Dans une première partie, les travaux réalisés sur le système LaAlO3/SrTiO3 sont présentés. Lacroissance des échantillons, les caractérisations structurales, de transport et de magnétisme sontdétaillées. A partir cette étude, des résultats majeurs ont été obtenus, concernant l’effet desconditions de croissance par PLD sur la stoechiométrie des films minces et les conséquences sur lespropriétés électroniques de l’interface, avec la mise en évidence de différentes phases électroniques.Dans une seconde partie, la croissance de films minces et ultraminces de SrVO3 par PLD et la mise enévidence expérimentale de la Transition Métal-Isolant (TMI) sont développées. Les mesures despropriétés structurales et de transport ont permis de déterminer l’origine de cette TMI. Enfin, lesmécanismes physiques de conduction dans ce système sont révélés à partir de modélisations.Enfin, la dernière partie est consacrée aux travaux réalisés sur les hétérostructures LaAlO3/SrVO3réalisées sur substrats de SrTiO3 et de LaAlO3. Pour ces systèmes, les caractérisations de transportainsi que les analyses chimiques menées dans le but d’étudier les propriétés des interfaces de cessystèmes et de les comparer avec le système LaAlO3/SrTiO3. Différents mécanismes de conductionont ainsi été mis en évidence, corrélés par une analyse chimique, pour les échantillons réalisés surSrTiO3, démontrant l’effet de la couche de LaAlO3. / This thesis work has been led to study the growth by Pulsed Laser Deposition (PLD) and theproperties of different perovskite oxide systems including heterostructures of LaAlO3/SrTiO3,SrVO3/SrTiO3 and LaAlO3/SrVO3. This work is motivated by the need to measure and analyze theinterface properties in these systems which are composed with transition metal elements titaniumand vanadium but with different electronic configuration, 3d0 for Ti and 3d1 for V that can modify theproperties.In a first part, growth and characterizations – structural, transport and magnetism – is presented.Major results are obtained and demonstrate the effect of growth conditions – oxygen pressure andlaser fluence – on LaAlO3 thin films stoichiometry and interface electronic properties finally provingthe existence of an electronic phase transition.In the second part, growth of thin and ultrathin SrVO3 films is detailed and an experimentalobservation of the Metal-Insulator Transition (MIT) is brought out. The origin of this MIT isdemonstrated by structural and Transport properties investigation. Furthermore, physicalmechanisms of conduction in this system are revealed through modelisation work.Finally, the last part is devoted to the work done on LaAlO3/SrVO3 heterostructures grown on SrTiO3and LaAlO3 substrates. Transport characterizations and chemical analysis realized in order to studythe interface properties and to compare with LaAlO3/SrTiO3. Different conduction mechanisms havebeen brought out which are correlated by chemical analysis – for samples grown on SrTiO3 – anddemonstrate the effect of LaAlO3 thin films in this hétérostructure.

Le dépôt MOCVD, l’oxydation naturelle sous air et l’oxydation naturelle suivie d’un dépôt MOCVD ont été utilisés pour synthétiser des couches de zircone d’environ 1 µm d’épaisseur. Dans un premier temps, nous avons déterminé les conditions optimales pour le dépôt MOCVD sur le 304L et le Zy-4, à 400°C et 500°C. Les deux autres techniques nous ont permis d’obtenir des couches plus épaisses et de compositions différentes en termes de fractions de phases quadratique et monoclinique. Nous avons caractérisé les phases et les contraintes résiduelles dans les couches par DRX. Grâce à un chargement de flexion ou de traction dans l’enceinte d’un MEB, nous avons réalisé des essais de multifissuration. Sur le Zy-4, nous avons obtenu le schéma classique d’endommagement : apparition de fissures perpendiculaires à la direction d’extension, augmentation du nombre de fissures jusqu’à saturation de la multifissuration. Sur le 304L, nous avons observé une hétérogénéité de fissuration pour les couches les moins épaisses, qui peut être due à la taille des grains du substrat par rapport à l’épaisseur de couche. On montre que la distance entre les fissures à saturation ne dépend ni des phases, ni des contraintes résiduelles. Elle varie linéairement avec l’épaisseur de la couche. La modélisation par éléments finis des essais de flexion nous a permis d’obtenir la contrainte à l’amorçage des fissures. La résistance des couches ne dépend pas de la fraction de phase quadratique et ne semble pas dépendre des contraintes résiduelles, mais elle décroît lorsque l’épaisseur croît. La prise en compte des contraintes résiduelles pour expliquer l’amorçage des fissures conduit à supposer que ces contraintes sont fortement hétérogènes dans les couches. / MOCVD deposition, air thermal oxidation and thermal oxidation followed by MOCVD deposition were used to produce the zirconia layers. First, in order to obtain films of controlled thickness (a few microns), we determined the optimal MOCVD deposition conditions on the 304L and Zy-4, at 400°C and 500°C. The two other techniques allowed us to obtain thicker layers of different tetragonal phase fractions. The volume fraction of tetragonal phase of zirconia and the residual stresses in the layers was characterized by DRX. Multiple cracking tests were performed inside a SEM through bending or tensile tests. On the Zy-4, we obtained the classic damage scheme: cracks perpendicular to the extension direction appear and multiply until saturation. On the 304L, cracks were localized for the thinner layers; this may be due to the grain size of the substrate with respect to the layer thickness. For the layers obtained on Zy-4, the minimal distance between the cracks does not depend neither of the tetragonal phase fraction nor of the residual stresses. It varies linearly with the layer thickness. Using the finite element method, the stress at fracture initiation was obtained. It decreases with the increase of the layer thickness independently of the tetragonal phase fraction and of the residual stresses. To take into account the residual stresses in assessment of the layer strength, high residual stress gradient have to be supposed.

Ce projet de travail est divisé en deux études principales: (a) l'influence des certains additifs organiques sur la consommation d'énergie et la pureté du métal de zinc déposé dans le processus d'extraction électrolytique, et (b) l’électrodéposition des alliages binaires et ternaires de Fe-Mo et Fe-Mo-P sur des substrats d’acier doux afin d’agir comme cathodes pour la production de chlorate. (a) Parmi les sept différents additifs organiques examinés, les sels des liquides ioniques ont réussi à augmenter le rendement du courant jusqu'à 95,1% comparé à 88,7% qui a obtenu à partir de l'électrolyte standard en présence des ions de Sb3+. La réduction maximale de la consommation d'énergie de ~173 kWh tonne-1 a été obtenue en ajoutant de 3 mg dm-3 du chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium dans le même électrolyte. La teneur en plomb dans le dépôt de zinc est réduite de 26,5 ppm à 5,1-5,6 ppm en utilisant les sels des liquides ioniques. (b) Des différents binaires Fe-Mo et ternaires Fe-Mo-P alliages ont été électrodéposés sur des substrats d’acier doux. Les alliages préparés ont une tenure en Mo entre 21-47 at.% et une tenure en P de 0 à 16 at.%. L'activité électrocatalytique de ces alliages vers la réaction de dégagement d'hydrogène (RDH) a été étudiée dans des solutions de chlorure de sodium. La réduction maximale de la surtension de RDH de ~313 mV a été obtenue par l’alliage ternaire préparé Fe54Mo30P16 par rapport à celle obtenue pour l'acier doux. La rugosité de surface et l'activité intrinsèque des revêtements de Fe-Mo-P peuvent être l'origine du comportement prometteur de ces électrocatalyseurs vers la RDH. / This work project is divided into two main studies: (a) the influence of certain organic additives on the power consumption and the purity of deposited zinc during electrowinning process, and (b) the electrodeposition of binary and ternary alloys of Fe-Mo and Fe-Mo-P on mild steel substrates to act as cathodes for chlorate production. (a) Among seven different examined organic additives, the ionic liquid salts succeeded to increase the current efficiency up to 95.1% compared to 88.7% obtained from standard electrolyte in presence of Sb3+ ions. Maximum reduction of power consumption of ~173 kWh ton-1 was observed by addition of 3 mg dm-3 of 1-butyl-3-methylimidazolium chloride to the same electrolyte. Lead content in the zinc deposit is reduced from 26.5 ppm to 5.1-5.6 ppm by using the ionic liquid salts. (b) Different binary Fe-Mo and ternary Fe-Mo-P alloys have been electrodeposited on mild steel substrates. The prepared alloys have Mo content between 21-47 at.% and P content from 0 to 16 at.%. The electrocatalytic activity of these alloys towards the hydrogen evolution reaction (HER) was investigated in sodium chloride solutions. The maximum reduction of HER overpotential of ~313 mV was achieved from the prepared ternary alloy Fe54Mo30P16 compared to that obtained from mild steel. The surface roughness and intrinsic activity of Fe-Mo-P coatings could be the origin of the promising behavior of these electrocatalysts towards the HER.

La nécessité de valoriser les co-produits laitiers, dans un souci de croissance économique dans ce secteur, a conduit à l'émergence de nouveaux ingrédients. Par exemple, les hydrolysats de protéines lactosériques constituent une source importante de peptides potentiellement bioactifs. Toutefois, l'isolation et la purification de telles molécules semblent nécessaires afin d'améliorer leur bioefficacité. Les peptides peuvent être dessalés par électrodialyse (ED) mais leur colmatage sur les membranes échangeuses d'anions (MEA) et de cations (MEC) diminue l'efficacité du procédé. Dans cette optique, la présente étude a pour objectifs (1) d'identifier, caractériser et quantifier les séquences peptidiques responsables du colmatage des MEA et MEC, (2) de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents au colmatage et (3) d'évaluer l'impact des différents régimes de courant en ED quant-à l'éventuelle prévention du colmatage. Dans un premier temps, le colmatage a été généré en condition statiques sans application de courant puis caractérisé. Dans un second temps, les phénomènes de dissociation d'eau et d'électroconvection ont été étudiés afin d’optimiser le procédé in-situ avec courant. Ainsi, en conditions statiques, les MEA chargées positivement (N+(CH3)3), présentaient un colmatage plus élevé à pH 6 et 10 qu’à pH 2. Les analyses HPLC-MS ont révélé que les peptides VLVLDTDYK, TPEVDDEALEK et IDALNENK (chargés négativement à pH 6 et 10) constituaient 86% du colmatage à ces pH alors qu’aucun peptide n’a été détecté à pH 2. Par conséquent, des interactions électrostatiques entre les charges peptidiques (COO-) et les groupements des MEA se sont établies. Concernant les MEC chargées négativement (SO3-), le colmatage était plus important à pH 6 qu'à pH 2 et 10. En outre, les analyses HPLC-MS ont révélé qu'à pH 6, les séquences ALPMHIR et TKIPAVFK chargées positivement (NH3+) ont établit des interactions (1) électrostatiques peptide/MEC créant une première couche puis (2) hydrophobes peptide/peptide via leurs résidus hydrophobes respectifs générant une seconde couche. Néanmoins à pH 2, le colmatage était moindre alors que ces peptides portaient théoriquement davantage de charges positives. Il est possible qu'à pH acide, les charges membranaires des MEC aient été protonnées (HSO3) et donc non chargées contrecarrant ainsi l'établissement d'interactions électrostatiques. Dans la seconde partie avec application de courant, le colmatage respectif des MEA et MEC a été réduit de 62 et 36 % en conditions électroconvectives. Les résultats démontrent que travailler à pH acide ou en régime post-limite permettrait de limiter voire d'éviter totalement le colmatage des membranes augmentant ainsi leur durée de vie et l'efficacité du procédé. Cette thèse propose différents mécanismes de colmatage en fonction de la nature de la MEI et des caractéristiques physico-chimiques des peptides. L'utilisation future de séquences peptidiques modèles, connues et synthétiques permettrait d'améliorer davantage les connaissances de ces mécanismes. / In the dairy industry, the economical growth led to the necessity of creating high added-value products from low commercial value by-products. For example, whey proteins hydrolysates (WPH) are an important source of peptides potentially bioactive. However, bioactive peptides need to be isolated and purified in order to enhance their bioactivities. The WPH demineralization by conventional electrodialysis (ED) may lead to peptide fouling on anion (AEM) and cation-exchange membranes (CEM) and decrease the process efficiency. Therefore, this study aimed (1) to identify, characterize and quantify the peptide sequences responsible for membrane fouling, (2) to better understand the mechanisms involved in peptide fouling and (3) to evaluate the impact of non-conventional ED modes on fouling. In a first phase, peptide fouling was generated and characterized in static conditions and without applying current. In a second phase, fouling was carried-out in real hydrodynamic conditions using ohmic, limiting and overlimiting currents in order to optimize the demineralization process. Results showed that in static conditions for AEMs, fouling was important at pH 6 and 10 and absent at pH 2. Based on HPLC-MS results, the VLVLDTDYK, TPEVDDEALEK and IDALNENK sequences (negatively charged at pH 6 and 10) represented 86% of the total fouling at these pH values whereas no peptide was detected at pH 2. Consequently, electrostatic interactions were established between the negative peptide charges (COO-) and positive AEM charges (N+(CH3)3). Concerning the CEMs, fouling was more important at pH 6 than 2 and 10. At pH 6, ALPMHIR and TKIPAVFK sequences firstly established electrostatic interactions with the negative CEM charges (SO3-) through their positive residues (NH3+) creating a first layer. Secondly, peptide/peptide interactions occurred through their respective hydrophobic residues creating a second layer. Nonetheless at pH 2, fouling was twice lower whereas peptides carried more positive charges. It is possible that for acidic pH values, CEM charges were partially protonated (HSO3) and consequently neutralized and unable to establish electrostatic interactions. Finally during a demineralization step in hydrodynamic conditions, fouling of AEM and CEM was reduced using overlimiting current by 62 and 36 %, respectively. According to these results, working at acidic pH values or using overlimiting conditions would hamper nay avoid fouling on membranes which would increase their lifetime and effectiveness. Different fouling mechanism models depending on the nature of IEM and the physicochemical characteristics of peptides are suggested in this thesis. In the future, the use of synthetic and well-characterized peptide sequences would enable to improve the knowledge of these mechanisms.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / La formation des réseaux de surface, ou laser-induced periodic surface structures (LIPSSs), à l’aide d’une source laser pulsée est étudiée avec la théorie de Sipe-Drude, d’abord analytiquement, puis avec la méthode numérique finite-difference time-domain (FDTD). Les LIPSSs sont des structures nanométriques sinusoïdales pouvant être catégorisées selon leur orientation par rapport à la direction de polarisation du laser incident et en fonction de leur période Λ par rapport à la longueur d’onde du laser λ. Avec la méthode FDTD, nous trouvons, dans une région de l’espace paramétrique jamais explorée, qu’une impulsion laser polarisée linéairement peut interagir avec une surface rugueuse de façon à faire croître des structures bidimensionnelles ayant une période de Λ ∼ λ dans les orientations parallèle et orthogonale à la direction de polarisation. Par contre, ce modèle ne peut expliquer la forte organisation et régularité des structures dans le domaine spatial, tel qu’observé dans les expériences. Permettre l’auto-organisation des structures avec un mécanisme de rétroaction inter-impulsion est une solution possible afin de simuler la croissance de LIPSSs fortement organisés d’une impulsion laser à la suivante. Récemment proposée, cette méthode utilise un processus d’ablation non physique afin de tenir compte qualitativement de l’éjection de matériau entre deux impulsions laser. Ce nouveau modèle peut reproduire une grande variété de LIPSSs avec une forte régularité spatiale, mais échoue toujours à simuler la croissance de l’amplitude de certains types de structures. Nous suggérons que ces structures restantes peuvent croître en considérant un mécanisme inverse, l’expansion. En combinant ablation et expansion, nous avons simulé avec succès un plus grand nombre de types de LIPSSs. / The formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) using pulsed laser source is studied on the basis of the Sipe-Drude theory solved, first analytically, then with a finitedifference time-domain (FDTD) scheme. LIPSSs consist of wavy nanometric structures and can be categorized depending on their orientation with respect to the incident laser polarization and their periodicity Λ with respect to the incident laser wavelength λ. With our FDTD solver, we find, in as yet unexplored regions of parameter space, that a linearly polarized laser pulse can interact with a rough surface such that bidimensional structures could grow with both parallel and perpendicular periodicity of Λ ∼ λ. However, this theory cannot predict the strong organization and regularity in the space domain, as observed in the experiments. Allowing self-organization in the model with an interpulse feedback mechanism is a possible solution to simulate the growth of strongly organized LIPSSs from one laser pulse to the next. This recently proposed method uses a non-physical ablation process to qualitatively account for material removal between two laser pulses. This new model can reproduce a large variety of LIPSSs with a strong spatial regularity, but still fails to simulate amplitude growth of some of the structures. We suggest that those remaining structures can grow by considering an inverse mechanism, an expansion process. By combining ablation and expansion mechanisms, we have successfully simulated the growth of a large class of LIPSSs.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Thèse en cotutelle : « Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et E Nat Sup Chim Paris, Paris, France » / Le contrôle des propriétés de surface des dispositifs médicaux implantés est essentiel pour leur succès clinique. Les procédés plasma à l'air libre sont de plus de plus populaires pour traiter efficacement ces surfaces. Ils offrent une alternative innovante, économique et écologique à certains procédés conventionnels de modification de surface tout en étant facilement automatisables à grande échelle. Dans cette thèse, deux procédés plasma à l'air libre ont été conçus, développés et validés pour contrôler les propriétés biologiques de surface de biomatériaux. Ils ont permis d'explorer les deux stratégies majoritaires utilisées pour produire des surfaces bioactives spécifiques : l'immobilisation covalente de molécules et la libération contrôlée d'agents bioactifs. Dans la première approche, des couches minces contenant des fonctions amines primaires (NH₂) qui servent à l'ancrage covalent de molécules ont été déposées avec une torche plasma à arc. Dans la seconde approche, des revêtements composites biodégradables libérant progressivement divers agents ont été déposées avec une décharge à barrière diélectrique en une seule étape. Dans les deux cas, l'impact des paramètres des procédés a été exploré et la nature des revêtements a été caractérisée et optimisée pour des applications biomédicales. Plusieurs phénomènes ouvrant de nouvelles perspectives pour l'innovation des procédés plasma à la pression atmosphérique ont été mis en évidence et explorés. Les plus importants concernent l'utilisation d'aérosols qui permet de préserver la structure chimique des précurseurs et des molécules dans le dépôt, habituellement plus dégradées dans les procédés plasma en phase vapeur. Cela a notamment permis le dépôt effectif de NH₂, d'anhydrides et d'esters, ainsi que de contrôler finement la nature des revêtements via la structure des précurseurs de polymérisation. Des perspectives sérieuses pour une meilleure compréhension mécanistique et une amélioration des procédés plasma ont été discutées, telles que l'exploitation de l'évaporation de solvants et des précurseurs, le contrôle de la température, l'impact de la cinétique de polymérisation sur la morphologie ou l'utilisation de systèmes de pulvérisation double. Les procédés à l'air libre développés ont montré une grande versatilité et flexibilité qui permettent d'adapter et de personnaliser les revêtements déposés. Ils ont principalement été explorés pour créer des surfaces antibactériennes mais ont le potentiel d'être utilisés pour d'autres applications biomédicales et en biotechnologie. / Controlling the surface properties of implanted biomedical devices is essential for their clinical success. Open-air plasma processes have gained popularity for effectively treating these surfaces. They offer an innovative, economical, and environmentally friendly alternative to certain conventional surface modification processes while being easily automated and scaled-up. In this thesis, two open-air plasma processes were designed, developed, and validated to tune the biological surface properties of biomaterials. These processes allowed to explore two major strategies for producing specific bioactive surfaces: covalent molecule grafting and controlled drug delivery. In the first approach, thin films containing primary amine (NH₂) groups for covalent molecules immobilization were deposited with an arc-plasma jet. In the second approach, composite biodegradable coatings capable of controlled release of various agents were deposited with a dielectric barrier discharge in a single step. In both processes, process parameters were explored, and the nature of the coatings was fully characterized and optimized for biomedical applications. Several phenomena opening new perspectives for the innovation of atmospheric pressure plasma processes were highlighted and investigated. The most important ones concern the use of aerosols, which allows the preservation of the chemical structure of the precursors and molecules in the coating, which are usually more degraded in vapor phase plasma processes. This has allowed the effective deposition of NH₂, anhydrides and esters as well as the fine control of the nature of the coatings via the structure of the polymerization precursors. Serious perspectives for a better mechanistic understanding and enhancement of plasma processes were discussed, including the benefit of solvent and precursor evaporation, temperature control, impact of polymerization kinetics on morphology and the use of dual spray systems. The developed open-air processes have shown great versatility and flexibility to adapt and customize the deposited coatings. They were mainly explored to create antibacterial surfaces but have the potential to be used for other biomedical and biotechnology applications.