Reproduction de : Thèse de doctorat : Esthétique, sciences et technologies des arts : Paris 8 : 2006. / Titre provenant de l' écran titre. Bibliogr. p. 285-298.

Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1977. N°: 606.

La microfluidique est une branche récente de la science et de la technologie. Ces quinze dernières années, son développement et son succès ont été principalement dus au concept de labo sur puce (lab-on-a-chip). Ces dispositifs miniaturisés, qu'intègrent plusieurs fonctions de laboratoire, ont été d'un grand intérêt dans différents domaines comme la Physique, la Chimique et la Bio-ingénierie. Lorsque un fluide est confiné dans une structure micro ounanométrique, son comportement est fortement influencé par les interactions avec les surfaces qui l'entourent. Dans ce contexte, la problématique du glissement du fluide sur le solide a été largement étudiée soit théoriquement, soit expérimentalement. Des nouvelles technologies, destinées à augmenter le glissement se sont déjà avérées être une méthode très efficace pour la réduction du frottement fluide/solide. Dans ce contexte, les surfaces superhydrophobes ont sucité l'intérêt de la communauté scientifique et technologique grâce au grand glissement à la paroi qui caractérise ces surfaces. Même si le comportement de ces surfaces a été largement étudié par différentes méthodologies théoriques et numériques, l'approche expérimentale est encore indispensable pour tester et comprendre les propriétés de ces surfaces. Cette thèse a commencé et s'est développée dans un projet plus large qui porte sur la mise en place d'une nouvelle technique pour l'analyse du glissement liquide/solide sur les surfaces superhydrophobes à travers les pièges optiques. Ce manuscrit développe les étapes du projet de recherche qui concernent différents domaines scientifiques comme l'optique, la microscopie, la science des surfaces, la microhydrodynamique, la microfludique et la microfabrication. Les recherches présentées dans cette thèse sont divisées par deux catégories: i) micromanipulation et microscopie holographique, ii) superhydrophobie. / Microfluidics is a very recent branch of science and technology. The development and the success, it has had in the last 15 years, is mainly due to the concept of lab-on-a-chip. Those miniaturized devices, integrating one or more laboratory functions, have aroused great interest among several research areas as physics, chemistry, biology and bioengineering. When a fluid is confined in a micro or nano scale structure, its behaviour is strongly affected by its interactions with the surrounding surfaces. In this context, the theme of fluid/solid slippage has been widely studied both theoretically and experimentally. Innovative technologies to enhance the surface slippage by specifically designing the solid interfaces have reportedly demonstrated to be an effective way to reduce the fluid/solid friction. To this end, superhydrophobic surfaces have increasingly attracted the interest of the scientific and technological community thanks to the large wall-slippage they present for liquid water. Though their behaviour has been extensively investigated through several theoretical and numerical methods, the experimental approaches are still indispensable to test and understand the properties of these surfaces. However, the lack of a general predicting model is also due to the fact that no one of the several existing experimental techniques has shown up as a very reliable one. Indeed, the reported measurements of slippage still depends on the specific adopted method, thwarting attempts to corroborate the proposed theoretical and numerical schemes. Therefore, it is evident that a more sensitive and effective experimental technique is still missing. This thesis began and developed inside the wider project of setting up an innovative technique to investigate the fluid-solid slippage on superhydrophobic surfaces by means of optical tweezers. Even though this project is still going on, this work reports the steps performed along the long way towards this main goal and it consists of a collection of several researches involving different scientific fields as optics, microscopy, surface science, microhydrodynamics, microfluidics and microfabrication. The researches presented in this work can be separated in two main categories: i) holographic micromanipulation and microscopy, ii) superhydrophobicity.

Dès sa première réalisation expérimentale par Théodore Maiman en 1960, le laser a fonctionné en régime impulsionnel. Même si les puissances mises en jeu à cette époque étaient très faibles, la brillance de cette source rivalisait déjà avec un million de soleils. De ce fait, il était facile de voir l'intérêt de pouvoir placer une fraction d'énergie lumineuse dans des impulsions de durée les plus courtes possibles. Avec la technique d'amplification à dérive de fréquence, l'exploration des système d'étirement et de compression commence. Malgré une diversité de solutions pour les étireurs et les compresseurs, le système de Treacy va dominer complètement les architectures lasers en raison de son très haut niveau de dommage essentiel pour les applications de très haute énergie. Pourtant, cette solution est loin d'être facile à mettre en oeuvre et le système est associé à de nombreux défauts. Le coût des optiques (réseaux de diffraction et optiques réflectrices du triplet de Öffner) est très élevé en raison des très grandes dimensions et des qualités de surface nécessaires pour l'obtention d'impulsion de 20-fs. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse. Les systèmes d'étirement et de compression ont été clairement identifiés comme verrous technologiques pour le développement des lasers femtosecondes tant dans le cadre scientifique, qu'industriel. A cet effet, nous avons mené une étude pour la réalisation d'un système étireur compact utilisant des réseaux de Bragg à pas variable enregistrés via des méthodes holographiques, proposant une rupture technologique. Pour la réalisation de cet étireur un nouveau matériau holographique a été développé et mis en oeuvre pour la réalisation d'un composant de test. Son utilisation dans une chaîne d'amplification classique conduit à une démonstration de faisabilité claire d'un tel système.

Cette thèse se consacre à l'étude de la théorie des cordes en utilisant les outils des théories conformes bidimensionnelles. Dans la première partie, une famille de solutions non-compactes et courbes est etudiées : les modèles de Gepner non-compacts. Dans la deuxième partie, on se concentre sur des problèmes liés à la quantification de la corde en présence de flux RR.

L’objet de cette thèse est l’étude de la correspondance fluide/gravité, réalisation macroscopique de la dualité AdS/CFT, à la limite où la constante cosmologique tend vers zéro (limite plate). La jauge de Fefferman-Graham, habituellement utilisée dans le dictionnaire holographique, est singulière à la limite plate. Ici, en passant par la formulation hydrodynamique de la théorie dubord, nous construisons une jauge, appelée jauge du développement en série dérivatif, où cette limite est bien définie. Sur la géométrie du bord, elle correspond en fait à faire tendre vers zéro la vitesse de la lumière, situation connue comme limite carrollienne. Un fluide relativiste admet une telle lim-ite, qui donne lieu à l’hydrodynamique carrollienne, étudiée ici en dimension arbitraire, parallèlement à son homologue galiléen. Ensuite, nous montrons spécifiquement en dimensions 4 et 3 du bulk qu’il est possible de construire des solutions asymptotiquement plates des équations d’Einstein partant de systèmes hydrodynamiques conformes carrolliens du bord, qui est ici l’hypersurface degenre lumière à l’infini. En 4 dimensions nous introduisons des conditions d’intégrabilité permettant de resommer la série dérivative sous formefermée. En 3 dimensions toute configuration fluide du bord aboutit à une solution exacte des équations d’Einstein. Les solutions de Bañados sont un sous-ensemble des solutions obtenues et identifiées au moyen de leurs charges de surface. Nous accordons une attention particulière au rôle du repère hydrodynamique, trop souvent ignoré en holographie. Pour terminer, nous nous concentrons sur la formulation de la AdS/CFT dans laquelle la symétrie de Weyl est explicite. Quoique cette symétrie soit un ingrédient incontournable de la correspondance fluide/gravité, elle n’est pas codée dans la formulation habituelle de l’holographie. Nous introduisons une nouvelle jauge et analysonsses conséquences. / In this thesis we discuss the limit of vanishing cosmological constant (flat limit) of the fluid/gravity correspondence, which is a macroscopic realization of the AdS/CFT. The holographic dictionary is usually implemented in a gauge(Fefferman-Graham), which does not admit a flat limit. In the hydrodynamic formulation of the boundary theory, we introduce a gauge, dubbed derivative expansion, where such a limit turns out to be smooth. In the boundary we show that this corresponds to a Carrollian limit, i.e. a limit where the speed of light vanishes. We present Carrollian hydrodynamics, together with its dual Galilean counterpart. Then, for 4 and 3 bulk dimensions, we exhibit a resummed line element, which provides an asymptotically flat bulk solution of Einsteinequations starting only from boundary (i.e. null infinity) conformal Carrollian hydrodynamic data. In 4 dimensions we exploit specific integrability conditions, which restrict the achievable class of solutions in the bulk. In 3 dimensions every boundary fluid configuration leads to an exact solution of Einstein’s equations. Bañados solutions are a subset of the solutions reached in this way. They are rigorously identified with their surface charges and the corresponding algebra. We emphasize the choice of hydrodynamic frame, often sidesteppedin holography. Finally, we focus on the formulation of AdS/CFT to encompass Weyl symmetry. This symmetry is a key ingredient of fluid/gravity but it is not naturally encoded in the usual formulation of holography. We introduce an appropriate gauge for realizing it, and analyze its far-reaching consequences.

Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de microscopie holographique digitale hétérodyne pour détecter et localiser en trois dimensions des nanoparticules d'or utilisées comme marqueurs biologiques dans des cellules vivantes. On combine la géométrie hors-axe et l'interférométrie par décalage de phase, où deux modulateurs Acousto-Optique minutieusement synchronisés sont utilisés, afi n d'obtenir des hologrammes sans alias. La détéction hétérodyne permet d'atteindre la limite de bruit théorique (shot-noise). Nous avons aussi élaboré une méthode de reconstruction numérique astucieuse : les images reconstruites ne souff rent pas de distortions longitudinales, les parmètres de reconstruction sont obtenus sans avoir besoin de les mesurer en e ffectuant une calibration expérimentale supplémentaire, la compensation des aberrations et les corrections de courbure de phase sont automatiquement obtenus. Nous avons pu imager et localiser, pour la première fois dans le contexte de la microscopie holographique digitale, des billes d'or de 40 nm de diamètre, attachées aux récepteurs transmembrannaires intégrine de fibroblastes 3T3 vivantes avec une précision de localization de 5 nm latéralement et 100 nm en profondeur quand un moyennage sur 32 images est eff ectué. De plus, une exploration 3D, dans un volume relativement grand (90x90x90) microm, de la totalité du champ diff usé est obtenu. Finalement, nous avons pu caractériser les régimes de di ffusion des marqueurs d'or et des structures cellulaires en analysant la forme 3D des motifs de diff usion correspondants qui sont facilement accessible par holographie digitale.

La capacité à concevoir dans l'abstraction fait appel à la faculté qu'a notre cerveau <br />de combler ce qui n'est pas visible par l'image la plus proche. Cela crée alors une <br />illusion visuelle et l'imagination apporte ensuite à l'esprit des images mentales. Mes <br />recherches consistent à présenter un concept artistique à base d'interférences et <br />d'illusions pour créer des personnages tridimensionnels. Aussi cette thèse est-elle <br />composée de deux parties. La première partie, théorique, est une étude globale sur <br />les propriétés de la lumière, l'optique et la méthode de création des interférences. <br />Dans la deuxième partie j'aborde la pratique en expliquant tout le processus mis en <br />œuvre pour concevoir des personnages tridimensionnels grâce aux illusions <br />visuelles issues des franges d'interférence volontairement perturbées.

Les besoins énergétiques du monde entier augmentent de plus en plus et parmi les sources en énergie renouvelable, l'énergie solaire connaît actuellement un très fort développement. Une des voies en énergie solaire est la filière utilisant des panneaux solaires hybrides qui produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur. Le marché des capteurs hybrides en présence ou non de concentrateur et leurs caractéristiques sont présentés. Dans la thèse, on a étudié un capteur hybride associé avec un concentrateur holographique du rayonnement solaire. Ce concentrateur permet de séparer la partie visible utilisée par les cellules photovoltaïques de celle infrarouge, absorbée par l'échangeur thermique. Les différents éléments du capteur et leur fonctionnement sont décrits. Les caractéristiques du capteur et son efficacité dépendent des paramètres optiques et thermiques de ses éléments. Ces paramètres (facteurs de transmission, de réflexion, d'absorption, émissivité) ont été déterminés expérimentalement (CERTES IUT Sénart, CEMHTI Orléans, Université Blaise Pascal Clermont-Ferrand). Les résultats obtenus ont été utilisés dans une modélisation stationnaire et monodimensionnelle des échanges thermiques pour deux configurations différents (avec deux plaques en polycarbonate et avec une plaque en polycarbonate et une lame d'air). La modélisation introduit les effets radiatifs, conductifs et l'absorption du rayonnement en volume. Les profils thermiques et les rendements électriques et thermiques obtenus montrent l'efficacité d'un capteur solaire hybride avec concentrateur holographique. / The energy requirements worldwide are increasing more and among renewable energy sources, solar energy is exhibiting a very strong growth. Solar hybrid panels that produce both electricity and heat is currently a very promising way. The market for hybrid solar panel with and without concentrator and their characteristics are presented. In the thesis, a hybrid solar panel associated with a holographic concentrator solar radiation is studied. This concentrator separates the visible range used in the photovoltaic cells of the infrared range absorbed by the heat exchanger. The elements of the panel are described. The sensor characteristics and effectiveness depend on the optical and thermal parameters of its elements. These parameters (transmission factors, reflection, absorption, emissivity) were determined experimentally (CERTES IUT Sénart, CEMHTI Orleans, University Blaise Pascal Clermont-Ferrand). The results were obtained in a stationary and dimensional modelling heat exchanges for two different configurations (with two polycarbonate plates with a polycarbonate plate and an air). The model introduces radiative effects, conduction and radiation absorption by volume. The thermal profiles, and electrical and thermal efficiencies obtained show the effectiveness of a hybrid solar collector with holographic concentrator.

On assiste à un essor spectaculaire des méthodes optiques pour suivre l’activité de populations neuronales in vivo. Ceci a permis de mettre en évidence des motifs remarquables d’organisation fonctionnelle à l’échelle mésoscopique impliqués dans de nombreuses fonctions cérébrales physiopathologiques. Cette thèse vise à mettre en place les outils permettant de disséquer les circuits sous-tendant ces motifs remarquables selon une approche expérimentale basée uniquement sur la microscopie optique. Plus particulièrement, ces outils ont été optimisés pour décrire la région CA1 de l’hippocampe adulte et le « barrel cortex » au cours du développement. En effet, deux motifs remarquables ont récemment été mis en évidence dans ces structures, les assemblées neuronales de CA1 adulte impliquées d’une part dans des processus de mémorisation et les neurones Hubs du cortex en développement et d’autre part participant au développement postnatal des circuits neuronaux. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau paradigme expérimental combinant imagerie calcique biphotonique in vivo, photostimulation par illumination holographique et analyse mathématique. Nous avons optimisé le choix et la co-expression de la sonde calcique et de l’opsine dans nos conditions expérimentales, et calibré leur utilisation dans les neurones de différentes structures cérébrales. De plus, nous avons conçu et assemblé un nouveau microscope à deux voies d’excitation, une pour l’imagerie calcique et l’autre pour la photostimulation holographique in vivo. Cette nouvelle approche expérimentale est en cours de validation sur les neurones Hubs à forte connectivité du « barrel cortex » en développement. / Over The last five years we have observed a huge improvement of optical methods to monitor the activity of neuronal populations in vivo. With these new approaches, remarkable patterns of functional organization at the mesoscopic scale that are involved in many pathophysiological brain functions were highlighted. This thesis aims to develop tools allowing us to dissect the circuits underlying these remarkable patterns according to an experimental approach based on all optical microscopy. These tools have been optimized to describe the functional organization of CA1 neurons in the adult hippocampus as well as in the barrel cortex during development. Two remarkable patterns have recently been identified in these structures, first, adult CA1 neural assemblies involved in memory processes and second, Hub cortical neurons that shape neuronal circuit during development. We have developed a new experimental paradigm combining in vivo two photon calcium imaging, holography photostimulation and mathematical analysis. We optimized the choice and co-expression of calcium probe (GCaMP6s) and opsin (Chronos and ChR2H134R) in our experimental conditions and calibrated their use in neurons of different brain structures. In addition, we designed and assembled a new two-path excitation microscope, one for calcium imaging and the other for in vivo holography photostimulation. This new experimental approach is being validated on Hub neurons with high connectivity in the developing barrel cortex.