Les milieux diffusants épais et absorbant sont présents dans un grand nombre de domaine : peintures, jets,crèmes et produits cosmétiques, tissus biologiques, etc. L’étude in situ et non invasive de tels milieux est de la plus haute importance car l’enjeu est de pouvoir mesurer les propriétés physiques à l’intérieur même du système sans le perturber. L’utilisation d’un laser femtoseconde permet de sonder ces milieux en profondeur tout en effectuant des mesures de temps de vol des photons. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’interaction entre une impulsion femtoseconde et un milieu à la fois diffusant et absorbant.L’effet principal des processus d’absorption est d’accélérer le temps de vol des photons. En effet, plus un photon reste longtemps dans le milieu, plus il aura de chance d’être absorbé. Les processus d’absorption ont en effet la propriété de « tuer » les trajectoires les plus longues, qui correspondent aux retards les plus conséquents. Une étude fine des signatures temporelles peut donc renseigner quant à la taille des particules, au coefficient d’absorption du liant, des particules ou d’autres paramètres microphysiques du milieu. Une partie conséquente du travail de thèse a consisté à étendre les modèles de diffusion temporelle au cas d'un milieu absorbant. Nous avons enfin réalisé plusieurs applications numériques à l’aide d’un code de Monte-Carlo modélisant la diffusion multiple temporelle dans un milieu absorbant. Deux cas particuliers exhibant une modification des signatures temporelles très sensibles à l’absorption ont été étudiés et illustrés de cas concret. Tout d’abord, nous montrons qu’une très faible absorption dans de grosses particules se répercute sur la signature temporelle en diffusion avant. Une application pour la détermination de la température d’alumine dans un jet de propulseur est envisagée. Ensuite, l’absorption du liant réduit les temps de vol en rétrodiffusion. Une mise en évidence expérimentale de ce phénomène ainsi qu’une comparaison avec nos modèles sont présentées. / Thick scattering and absorbing media are present in a great variety of domain such as paints, jets,cosmetics, biological tissues, etc. In situ and non invasive studies of such media are very importan tbecause the issue is to measure physical properties inside the medium without perturbations. The use of a femtosecond laser can both probe these media in depth and make photons time of flight measurement.The aim of this thesis is to model interaction between a femtosecond pulse and a scattering and absorbing medium. The main effect of absorption is to increase the time of flight of photons. Indeed, the absorption processes have the property to “kill” the longer trajectory, which corresponds to more important delays.An extended study of temporal profiles can give information about the size of the particles, the absorption coefficients of the surrounding medium and of particles or other microphysical properties of the medium.A substantial part of the thesis consists in extension of temporal scattering models to the case of absorbing medium. We have finally realized several numerical applications with the help of a Monte-Carlo code,which simulates temporal multiple scattering processes in an absorbing medium. Two particular cases exhibit a neat modification of the temporal profile with absorption. We have studied and illustrated them with practical cases. First, we show that small absorption in large particles modifies the temporal profile inforward scattering. Application such as temperature determination of alumina particles in a rocket jet is considered. Then, absorption in the surrounding medium decreases the time of flight of backscattering temporal profile. An experimental illustration of this phenomenon and a comparison with our models are presented.

Nous étudions la relation structure/propriétés d'hydrogels rigides composés d'un nouveau polysaccharide géant, le sacran. Ce nouveau polysaccharide possède une longueur de contour supérieure à 10 µm et une longueur de persistance intrinsèque d'à peu près 60 nm. Ainsi la réticulation de ces chaines polysaccharides est capable de former des réseaux dits rigides, dans lesquels la taille de maille est contrôlée par des segments de chaines rigides. A partir du sacran, des hydrogels physiques (liaisons transitoires) et chimiques (liaisons covalentes) ont été fabriqué dans l'optique d'observer des différences comportementales entre ces réseaux. La formation de réseaux rigides de sacran à être démontrée par l'utilisation de la microrhéologie non-conventionnelle par DWS permettant le suivi de la dynamique d'une chaine polymère individuelle composant le réseau. Différentes signatures rhéologiques propres à ces réseaux rigides ont été mises en évidence et des propriétés de strain-hardening ont été observées dans le régime non-linéaire des gels chimiques de sacran, et plus étonnamment des gels physiques également. Les strain-hardening observés pour les gels chimiques de sacran, grands devant ceux reportés dans la littérature, ont pu être modélisés permettant l'obtention des paramètres structurant ces réseaux et conduisant à leur durcissement. / We study the relationship structure/properties of rigid hydrogels composed of a new giant polysaccharide, sacran. This novel polysaccharide has a contour length larger than 10 μm and an intrinsic length of persistence of approximately 60 nm. By crosslinking the chains of this polysaccharide we expect prepare rigid networks, in which the mesh size is controlled by rigid chain segments. Physical (transient bonds) and chemical hydrogels of sacran have been prepared and their rheological properties have been studied. The formation of rigid networks of sacran has been demonstrated by using the non-conventional microrheology by DWS allowing to characterize the dynamics at single chain scale of the network. Different specific rheological signatures of these rigid networks have been highlighted and strain-hardening properties have been observed in the non-linear regime for the chemical gels, as well as for the physical gels. The strain-hardening observed for the chemical gels, which are large compared to those of other biopolymers reported in the literature, were modeled to obtain the structural parameters of these networks which lead to their hardening.

L’objectif de cette thèse était d'étudier les propriétés physico-chimiques de réseaux interpénétrés formés par auto-assemblage de copolymères à blocs amphiphiles stimulables. La première partie du travail a consisté à élaborer des hydrogels interpénétrés IPSAN (InterPenetrated Self-Assembled Network) à partir d’un simple mélange de copolymères triblocs associatifs. Ainsi, l’IPSAN correspond à une combinaison des deux réseaux polymères. Le premier réseau est formé par un copolymère tribloc à base de poly(oxyde d'éthylène) (tPOE) porteur de blocs hydrophobes polymérisables sous UV. Le deuxième réseau est constitué d’un copolyélectrolyte tribloc pH sensible à base de poly(acide acrylique) (TH50).L’influence des concentrations en copolymères et du pH sur la structure et les propriétés mécaniques des hydrogels IPSAN a été systématiquement étudiée. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'influence de la formation d'un réseau transitoire sur la séparation de phases dans des mélanges de tPOE et de polymères linéaires en solution aqueuse. Cette étude a mis en évidence une augmentation de l'incompatibilité entre les deux polymères induite par l’association du copolymère tribloc. Ce système a permis l'élaboration d'hydrogels macroporeux photo-réticulables.Enfin, la diffusion de polymères linéaires et de particules solides micrométriques dans des réseaux de copolymères pH-sensibles a été étudiée par des techniques de recouvrement de fluorescence après photobleaching (FRAP) et de diffusion dynamique de la lumière. La formation du réseau transitoire ralentit le mouvement de traceurs linéaires de petite taille de la même manière que dans le cas d'hydrogels covalents. Le contrôle de la structure et de la dynamique du réseau par le pH est un levier puissant pour contrôler la diffusion dans ces hydrogels. / The objective of this thesis was to investigate the physical chemical properties of interpenetrating networks formed by self-association of responsive amphiphilic block copolymers. The first part of the work was to develop IPSAN hydrogels(InterPenetrated Self-Assembled Network) simply by mixing two triblock copolymers. Thus, the IPSAN corresponds to a combination of the two polymer networks. The first network is formed by a triblock copolymer based on poly(ethylene oxide) (tPEO) bearing UV-cross-linkable hydrophobic blocks. The second network consists of a pH-sensitive triblock polyelectrolyte based on poly(acrylic acid) (TH50). The influence of the concentration of the copolymers and of the pH on the structure and the mechanical properties of the IPSAN has been systematically studied. In the second part we investigated the influence ofthe formation of a transient network on the phase separation in mixtures of tPEO and linear polymers in aqueous solution. This study revealed an increase of the incompatibility between the two polymers induced by the association of the triblock copolymer. This system enabled the elaboration of photo-cross-linked macroporous hydrogels. Finally, the diffusion of linear polymers and solid particles in pH-sensitive networks was studied by fluorescence recovery after photobleaching (FRAP)and dynamic light scattering. The formation of a transient network restricts the movement of small linear tracers in the same way as a covalent hydrogel would. The control of the structure and dynamics of the network by the pH is a powerful tool to control the diffusion in this hydrogels.

L'hyperuniformité est un concept relativement récent, utilisé afin de comprendre et de prédire les propriétés photoniques de matériaux désordonnés. Motivés par la perspective de fabriquer des systèmes hyperuniformes désordonnés au moyen d'un processuss pouvant etre reproduit a une échelle industrielle, nous forcons de facon périodique une suspension de sphères colloidales a travers des cycles de sédimentation inversée. La caractérisation de la dynamique et de la structure du système implique differentes techniques adaptées a la taille des particules et aux propriétés de la suspension. Nous analysons la pertinence de chaque technique quant a l'évaluation de l'hyperuniformité d'un système. Nous détectons et suivons des particles de borosilice de facon individuelle afin de caractériser leurs propriétés dynamiques. Nous trouvons une forte anisotropie dans la dynamique de ces suspensions, ainsi qu'une transition dynamique a un temps d'attente caractéristique. L'anisotropie peut etre annulée en introduisant une nouvelle direction de sédimentation. La dynamique de suspensions de particules de silice est examinée via une technique appelée Differential Dynamic Microscopy. Nous observons une augmentation du coefficient de diffusion des particules a un temps d'attente caractéristique, dépendant du temps d'attente. Finalement, nous étudions la structure de ces suspensions a travers la diffusion statique de la lumière aux angles faibles. Nous observons un changement du facteur de structure des suspensions, au meme temps caractéristique mesuré en Differential Dynamic Microscopy. / Hyperuniformity is a relatively recent concept that has been increasingly used to understand and predict the photonic properties of disordered materials. Motivated by the perspective of generating disordered hyperuniform system through a new and scalable process; we periodically drive three-dimensional suspensions of colloidal spheres through reversed cycles of sedimentation. The size of colloids chosen is kept to a micrometric scale to keep a focus on potential application in photonics. The characterization of the dynamics and structure of the system involves different techniques, adapted to the nature and properties of the particles and the suspending media. The extent to which each of these techniques can provide information about the hyperuniformity of the system is assessed. We use particle tracking to study the dynamics of the suspensions of borosilicate particles. We find a strong anisotropy in the suspensions dynamics, as well as a dynamical transition at a characteristic wait time. This anisotropy can be cancelled by allowing another sedimentation direction in the system. The dynamics of the suspensions of the silica particles are examined using Differential Dynamic Microscopy. We observe an increase of the diffusion coefficient of the particles at a characteristic wait time that is concentration-dependent. We then investigate the structure of these suspensions through Low Angle Static Light Scattering. We observe a change in the structure factor of the suspensions, which occurs at the same characteristic wait time measured through Differential Dynamic Microscopy.

Le procédé de photopolymérisation a été optimisé en vue de l’élaboration de matériaux composites à matrice époxyde épais (> 1 mm) via un mécanisme cationique. L’étude des cinétiques de photopolymérisation de deux résines époxydes (glycidyl éther et cycloaliphatique) a montré que l’ajout d’un renfort de microsphères de silice induit un gradient de conversion dans l’épaisseur du matériau en raison d’un phénomène d’absorption et/ou de diffusion de la lumière, ce dernier étant d’autant plus important que l’écart d’indice de réfraction entre la charge et la matrice est élevé. Cependant, cette hétérogénéité de conversion a pu être compensée par une réaction de postpolymérisation à température ambiante. Une analyse des propriétés mécaniques a ensuite montré qu’il est possible d’obtenir par photopolymérisation des matériaux composites épais réticulés de façon homogène et dont la rigidité est augmentée par la présence du renfort. Enfin, la stratégie d’égalisation des indices de réfraction de la charge et de la matrice, couplée à une photopolymérisation cationique frontale induite par voie radicalaire (RICFP), ouvre des perspectives intéressantes en vue de l’élaboration de photocomposites de plusieurs centimètres d’épaisseur en appliquant uniquement un stimulus lumineux. / The photopolymerization process has been optimized for the elaboration of thick epoxy composite materials (> 1 mm) through a cationic mechanism. The study of the photopolymerization kinetics of two epoxy resins (glycidyl ether and cycloaliphatic) has shown that the addition of a silica microsphere reinforcement induced conversion gradient in the material thickness, resulting from a light absorption and/or scattering phenomenon. The light scattering is all the more important as the refractive index gap between filler and matrix is high. However, this conversion heterogeneity has been compensated by a postpolymerization reaction at room temperature. Then, the analysis of the mechanical properties has shown that it was possible to obtain thick composite materials homogeneously crosslinked and whose rigidity was increased by the presence of the filler. In addition, the strategy of equalizing the filler and matrix refractive indices, coupled with the radical induced cationic frontal polymerization (RICFP) opens interesting perspectives for the development of photocomposites several centimeters thick using only a light stimulus.

Nous étudions les relations structure/propriétés d'hydrogels contenant des nanoparticules inorganiques. Les interactions spécifiques existant entre le poly(N,N-diméthylacrylamide) et des nanoparticules de silice sont à l'origine d'un fort renforcement mécanique des hydrogels, tant en termes de raideur que de résistance à la fracture. L'impact de l'introduction de nanoparticules de silice a été étudié d'un point de vue structural, thermodynamique et mécanique. Une étude détaillée des propriétés mécaniques des hydrogels hybrides à différentes échelles de temps a révélé une forte dépendance à la vitesse de sollicitation. Une modélisation du caractère viscoélastique de tels réseaux hybrides a été proposée et confrontée aux résultats expérimentaux, visant à décrire le comportement de ces doubles réseaux. Par ailleurs, une étude par techniques de diffusion de la lumière a été menée afin de caractériser la dynamique des nanoparticules de silice au sein des réseaux de polymère gonflés. Il a été démontré que le renforcement général des propriétés des hydrogels par les nanoparticules de silice est contrôlé par la dynamique de l'association PDMA/silice.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

De récents progrès en biologie cellulaire ont montré que le noyau d'une cellule vivante est un ensemble bien organisé de différents domaines ayant chacun une fonction propre. Cette organisation est hautement dynamique. En effet, elle est la clé de l'adaptation de la cellule à son environnement. La dynamique du noyau est ainsi le reflet de l'état de la cellule. <br />Bien que l'étude de cette dynamique soit devenue l'un des enjeux majeurs de la recherche en biologie cellulaire, la dynamique globale du noyau est encore peu comprise. Pour étudier cette dynamique nous avons mis au point un montage expérimental original de diffusion dynamique de la lumière. Il est à noter que si la diffusion dynamique de la lumière est une technique « classique » pour l'étude des propriétés dynamiques des systèmes moléculaires organisés (i.e. systèmes colloïdaux, surfactants, polymères en solution, gels, cristaux liquides), elle n'avait, encore, jamais été utilisée pour étudier les propriétés dynamiques du noyau d'une cellule vivante. Grâce à ce montage, nous avons étudié la dynamique globale du noyau de cellules neuroblastomes de la lignée SHEP, au cours du cycle cellulaire. Nous avons ainsi pu observer que la dynamique interne du noyau est très riche et très complexe, avec un très grand nombre de temps caractéristiques s'étalant de quelques millisecondes à quelques dizaines de secondes. Par l'analyse des fonctions d'autocorrélation de l'intensité diffusée, < I(0)I(t) >, nous avons, plus particulièrement, sondé la dynamique interne du noyau entre la milliseconde et la seconde. Nous avons mis en évidence deux distributions indépendantes de temps caractéristiques. La première est une distribution de temps rapides compris entre 5 et 70 ms. La deuxième est une distribution de temps plus lent compris entre 0,5 et 2 s. Nous avons montré que ces distributions étaient dépendantes de la phase du cycle dans laquelle se trouvaient les cellules.<br />Le montage expérimental que nous avons construit nous a également permis de mettre en évidence et d'étudier un processus de transmission de la mort par apoptose d'une cellule vers ses plus proches voisines.

La diffraction et la diffusion de la lumière sont étudiées de façon théorique et expérimentale puis utilisées pour les applications à la métrologie des composants sub-microniques dans l'industrie de la microélectronique, ainsi qu'aux applications dans le domaine de l'imagerie sélective en milieu diffusant basée sur les propriétés ellipsométriques de la lumière. La modélisation est réalisée à l'aide de la méthode différentielle que nous avons implémentée pour plusieurs situations : diffraction 2D classique et conique et diffraction 3D. Outre les améliorations déjà connues, algorithme des matrices S et règles de factorisation, nous proposons une nouvelle méthode d'intégration matricielle des équations du champ, plus rapide que les formulation existantes, qui nous permet d'aborder le cas des structures 3D de forme arbitraire, aléatoires ou périodiques. Cet outil est ensuite appliqué à l'extension de l'imagerie sélective au cas des surfaces très rugueuses et au problème inverse en microélectronique.

Nous étudions la possibilité de réaliser des cellules à base de diséléniure de cuivre, indium et gallium (CIGSe) à absorbeur ultra-mince, en réduisant l'épaisseur de la couche de CIGSe de 2500 nm jusqu'à 100 nm, tout en conservant un haut rendement de conversion.Grâce à l'utilisation d'outils de simulation numérique, nous étudions l'influence de la réduction d'épaisseur de l'absorbeur sur les paramètres photovoltaïques de la cellule. Une importante dégradation du rendement est observée, principalement attribuée à une réduction de la fraction de lumière absorbée par le CIGSe ainsi qu'à une collecte des porteurs de charge réduite dans les dispositifs ultraminces. Des solutions permettant de surmonter ces problèmes sont proposées et leur influence potentielle est numériquement simulée ; nous démontrons qu'une ingénierie de face avant (couche tampon alternative, couche anti-réfléchissante...) et de face arrière (contact arrière réfléchissant, diffusion de la lumière) sur une cellule CIGSe à absorbeur ultramince permet de potentiellement améliorer le rendement de la cellule solaire au niveau de celui d'une cellule à absorbeur référence (2.5 μm).Grâce à l'utilisation de techniques de gravure chimique sur des échantillons standards de CIGSe épais, nous réalisons des cellules solaires avec différentes épaisseurs d'absorbeurs, et nous étudions l'influence de l'épaisseur du CIGSe sur les paramètres photovoltaïques des cellules. Le comportement similaire aux simulations numériques.Une ingénierie du contact avant sur des cellules CIGSe à différentes épaisseurs est réalisée pour spécifiquement améliorer l'absorption dans la couche de CIGSe. Nous étudions l'influence d'une couche tampon alternative de ZnS, de la texturation de la fenêtre avant de ZnO:Al, et d'une couche anti-reflet sur la cellule solaire. D'importantes améliorations sont observées quelque soit l'épaisseur de la couche de CIGSe, ce qui permet d'obtenir des rendements de conversions supérieurs à ceux obtenus dans la configuration standard des dispositifs.Une ingénierie du contact arrière à basse température est également réalisée avec l'utilisation d'un procédé novateur combinant la gravure chimique du CIGSe avec un " lift-off " mécanique de la couche de CIGSe afin de la séparer du substrat de Molybdène. De nouveaux matériaux fortement réflecteur de lumière et précédemment incompatible avec le procédé de croissance du CIGSe sont utilisés comme contact arrière pour des cellules CIGSe ultra-minces. Une étude comparative en fonction de l'épaisseur de CIGSe entre des cellules avec contact arrière réfléchissant en Or (Au) et cellules solaires avec contact arrière standard Mo est effectuée. Le contact Au permet d'augmenter significativement le rendement de conversion des cellules solaires à absorbeur sub-microniques comparé au contact standard Mo avec un rendement de conversion supérieur à 10% obtenu sur une cellule CIGSe de 400 nm (comparé à 7.9% avec Mo).Afin de réduire encore plus l'épaisseur de la couche de CIGSe, jusque 100-200 nm, les modèles numériques montrent qu'il est nécessaire d'utiliser un réflecteur lambertien sur la face arrière de la cellule afin de maximiser l'absorption de la lumière. Un dispositif preuve de concept expérimental est réalisé avec une épaisseur de CIGSe de 200 nm et un réflecteur arrière lambertien, et ce dispositif est caractérisé par spectroscopie de transmission/réflexion. La réponse spectrale est déterminée en combinant des valeurs issues de simulation numérique et la mesure expérimental de l'absorption du dispositif. Nous calculons un courant de court circuit de 26 mA.cm-2 pour ce dispositif avec réflecteur lambertien, bien supérieur à ce qui est calculé pour la même structure sans réflecteur (15 mA.cm-2), et comparable au courant mesuré sur une cellule de référence de 2500 nm (28 mA.cm-2). L'utilisation de réflecteur lambertien pour des cellules CIGSe ultraminces est donc particulièrement adaptée pour maintenir de hauts rendements.