Les matériaux carbonés présentent de nombreux avantages pour les domaines des nanotechnologies et de l'environnement.La mixité de chiralité des nanotubes de carbone limite leur application dans les appareils électroniques et le nano-confinement. Dans une première partie, ce travail de thèse s'est concentré sur la séparation en chiralité de nanotubes de carbone de type CoMoCAT, afin d'élaborer de nouveaux nano-conteneurs.Après sélection en chiralité, nous avons évalué les propriétés sous hautes pressions des fagots de nanotubes sélectionnés, et leur interaction avec l'eau. Les résultats ont montré que les fagots supportent des pressions jusqu'à 17 GPa, avant de subir un effondrement radial réversible, permettant de les utiliser en tant que nano-enclumes.L'élaboration d'une éponge de carbone (super)hydrophobe pour le traitement des eaux après pollution aux hydrocarbures a été décrite dans une seconde partie. La pyrolyse de mousses polymères a permis de conserver la très grande porosité de la mousse (> 99%), tout en lui conférant des propriétés proches de la superhydrophobie et de grandes capacités d'absorption de pétrole et solvants organiques (85-200 g/g). L'élasticité du matériau permet sa régénération par simple compression mécanique : récupération du polluant et réutilisation de l'absorbant. De plus, cette caractéristique reste valable même après une centaine de cycles de compression-décompression, en conservant 81% de sa capacité d'absorption dans le cas du pétrole brut / Carbon materials present many advantages for the nanotechnology and environment fields. The chirality mixity of carbon nanotubes limits their application in electronic devices and the nano-confinement. In the first part, this thesis has focused on the chirality separation of CoMoCAT carbon nanotubes, in order to elaborate new nano-containers.After the chirality selection, the properties of selected nanotubes bundles under high pressure were evaluated, as well as their interaction with water. The results show that the bundles support pressures until 17 GPa, before to undergo a reversible collapse, allowing their application as nano-anvils.The (super)hydrophobic carbon sponge elaboration for the clean-up of water polluted by oils was described in the second part. The polymeric foams pyrolysis allows to keep the very high foam porosity (> 99%), to give properties next to the superhydrophobicity and large absorption capacities in oils and organic solvents (85-200 g/g). The material elasticity allows its regeneration by simple mechanical compression : recovery of pollutant and re-use of the absorbant. Moreover, this feature remains valid after a hundred compression-decompression cycles, with 81% of the initial crude oil absorption capacity

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés d’adsorption et de séparation en milieu humide par des polymères de coordination poreux. Nous avons utilisé les techniques de volumétrie d’adsorption, de séparation par chromatographie en phase gaz, de spectroscopie de fluorescence ainsi que et de la modélisation Monte Carlo afin de comprendre les mécanismes qui gouvernent l’adsorption de ces matériaux. Les molécules adsorbables étudiées sont l’eau et des vapeurs d’hydrocarbures linéaires (pentane et n-hexane), cycliques (cyclohexane et cyclohexène) et polycycliques (anthracène). Les adsorbants étudiés sont les Analogues de Bleu de Prusse (ABP) ainsi que deux matériaux organométalliques poreux de référence, le ZIF8 et le CuBTC. Parmi les résultats principaux apportés par ce travail, nous avons montré que les Analogues de Bleu de Prusse ont une stabilité hydrothermale remarquable leur conférant des propriétés d’adsorption en milieu humide très prometteuses. Parmi les ABP étudiés, le Co[CoIII(CN)6]0.66 ⊡0.33 .5.2H2O a montré des propriétés d’adsorption et de séparation très supérieures à celles d’autres ABPs. Par exemple, il a été possible de moduler sa balance hydrophobe/hydrophile par le contrôle de la coordination de l’eau sur le centre métallique insaturé, tout en préservant son caractère lipophile. Nous avons aussi montré que cet analogue de bleu de Prusse est capable de séparer des mélanges d’hydrocarbures secs ou très humides de façon répétée. Sur un aspect plus fondamental, nous avons montré que le confinement d’anthracène par le ZIF-8, qui est un composé organométallique poreux possédant des cavités de taille ajustée à celle du fluorophore, pouvait induire une extinction complète de certaines bandes d’absorption de celui-ci. / This PhD thesis is focused on the study of wet adsorption and separation properties by porous coordination polymers. We used adsorption volumetry, gas chromatography separation techniques, fluorescence spectroscopy techniques and Monte Carlo modeling to understand the mechanisms governing the adsorption of these materials. The adsorbable molecules studied are water and hydrocarbon vapors linear (pentane and n-hexane), cyclic (cyclohexane and cyclohexene) and polycyclic (anthracene). The adsorbents studied are the Prussian Blue Analogues (ABP) as well as two reference porous organometallic materials, ZIF8 and CuBTC. Among the main results provided by this work, we have shown that Prussian Blue Analogues have remarkable hydrothermal stability conferring them very promising wet adsorption properties. Among the ABPs studied, Co [CoIII (CN)6] 0.66 ⊡0.33 .5.2H2O showed adsorption and separation properties far superior to those of other ABPs. For example, it has been possible to modulate its hydrophobic / hydrophilic balance by controlling the coordination of water on the unsaturated metal center, while preserving its lipophilic character. We have also shown that this Prussian blue analogue is capable of separating mixtures of dry or very wet hydrocarbons repeatedly. On a more fundamental aspect, we have shown that the confinement of anthracene by ZIF-8, which is a porous organometallic compound with cavities of size adjusted to that of the fluorophore, could induce a complete extinction of certain absorption bands of this one.

Icing is an important problem, which often leads to emergency situations in northern countries. The reduction of icing requires a detailed understanding of this process. In this work, we report on a systematic investigation of the effects of geometry and chemical properties of surfaces on the formation of an ice layer, its properties, and thawing. We compare in detail icing and ice thawing on flat and rough hydrophilic and hydrophobic surfaces. We also show advantages and disadvantages of the surfaces of each kind. We demonstrate that water condenses in a liquid form, leading to the formation of a thin continuous water layer on a hydrophilic surface. Meanwhile, separated rounded water droplets are formed on hydrophobic surfaces. As a result of slower heat exchange, the freezing of rounded water droplets on a hydrophobic surface occurs later than the freezing of the continuous water layer on a hydrophilic one. Moreover, growth of ice on hydrophobic surfaces is slower than on the hydrophilic ones, because ice grows due to the condensation of water vapor on already formed ice crystals, and not due to the condensation on the polymer surface. Rough hydrophobic surfaces also demonstrate a very low ice adhesion value, which is because of the reduced contact area with ice. The main disadvantage of hydrophobic and superhydrophobic surfaces is the pinning of water droplets on them after thawing. Flat hydrophilic poly(ethylene glycol)-modified surfaces also exhibit very low ice adhesion, which is due to the very low freezing point of the water–poly(ethylene glycol) mixtures. Water easily leaves from flat hydrophilic poly(ethylene glycol)-modified surfaces, and they quickly become dry. However, the ice growth rate on poly(ethylene glycol)-modified hydrophilic surfaces is the highest. These results indicate that neither purely (super)hydrophobic polymeric surfaces, nor ‘‘antifreeze’’ hydrophilic ones provide an ideal solution to the problem of icing.

Ce doctorat s’intègre dans le projet ANR BIOMET (JC05_59809) et a eu pour vocation d’améliorer les connaissances actuelles sur l’influence de la matière organique dissoute sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux particulièrement dans le cas de système sous forte pression urbaine tel que la Seine. La compréhension de l’influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux suppose en outre que l’on connaisse précisément sa composition chimique ou plus exactement ses groupements fonctionnels. C’est pourquoi une partie de ces travaux est consacrée à l’extraction et la caractérisation de la matière organique dissoutes d’origine naturelle et urbaine. La caractérisation des fractions de MOD a été réalisée de manière originale par une approche multidimensionnelle à l’aide d’un véritable éventail de techniques analytiques (analyses élémentaires; isotopiques; fonctionnelles et moléculaires) permettant ainsi de mieux aborder l’influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre et du plomb. Parallèlement à l’étude de caractérisation de la MOD, ce travail s’attache à mieux cerner le rôle de la MOD d’origine urbaine en particulier de la MOD hydrophile sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre et du plomb. Dans cet objectif, les techniques : potentiométrique à l’aide d’électrode ionique spécifique et la récente technique électrochimique AGNES ainsi que des biotests de toxicité aiguë (Daphnia magna) et de bioaccumulation (Fontinalis antipyretica) ont permis : - d’étudier la complexation du cuivre et du plomb par les fractions de MOD obtenues afin notamment de fournir des paramètres de complexations des MOD hydrophiles peu connues jusqu’à présent et ainsi mieux prédire le transport des métaux en milieu urbain. - d’évaluer le rôle protecteur de la MOD d’origine urbaine sur la biodisponibilité du cuivre. Les résultats ont montré que la MOD issue des effluents de station d’épuration et rejetée dans le milieu récepteur présente des caractéristiques originales à savoir un fort pourcentage de MOD hydrophile, c’est à dire une faible hydrophobicité et un degré d’aromaticité peu marqué soulignant le caractère peu réfractaire de cette MOD. En revanche une plus grande diversité fonctionnelle de la MOD d’origine urbaine par rapport à la MOD naturelle a été mise en évidence notamment par un taux de structures protéiques très important. Les résultats obtenus ici pour la première fois vis-à-vis des MOD hydrophiles d’origine urbaine ont montré une réactivité particulière vis-à-vis du cuivre. En effet les fractions HPI et plus généralement les fractions issues des effluents de station d’épuration ont montré une teneur en sites complexants plus élevée que ce qu’il avait été déjà observé pour des matières organiques naturelles. Les valeurs des constantes ne semblent pas varier d’une fraction à l’autre et assez peu suivant l’origine de la MOD. Le rôle particulier de l’azote dans la complexation du cuivre notamment sous la forme de groupements amines a été mis en évidence. Les approches utilisées pour évaluer la biodisponibilité du cuivre ont révélé pour l’ensemble des fractions de MOD un effet protecteur vis-à-vis du cuivre sur les organismes vivants. Néanmoins cet effet protecteur ne se trouve pas à la hauteur de celui pouvant être prédit par le modèle de l’ion libre principalement dû à une biodisponibilité de certains complexes organiques. Ceci peut être expliqué par l’important taux de structures protéiques dans ces MOD, les protéines étant connues pour jouer un rôle important dans les mécanismes de transports des métaux au sein des organismes. Par ailleurs, l’outil DGT (Diffusive gradient in thin films) a montré son efficacité pour évaluer la fraction biodisponible du cuivre / This thesis was carried out on the framework of the ANR BIOMET research project (JC05_59809). The main objectives were to improve the current knowledge on the influence of dissolved organic matter (DOM) on metal speciation and bioavailability in urban aquatic system. The understanding of the influence of DOM on trace metal speciation and bioavailability required that the chemical composition of DOM, more exactly its binding sites should be well understood. Therefore, one part of this research focused on the isolation and characterization of DOM. The characterization of DOM, with a multidimensional approach was realized with a lot of various techniques (such as elemental, isotopic, functional and molecular) that were of prime importance to better understand the influence of DOM on trace metal speciation and bioavailability. To accomplish these objectives, the techniques such as potentiometry with ionic selective electrode and the recent electroanalytical technique AGNES and bioassays such as a bioaccumulation test (Fontinalis antipyretica) and an acute toxicity test (Daphnia magna) were performed in order to: - study the copper and lead binding by isolated DOM fractions in order to give some binding parameters of hydrophilic DOM and to better predict the fate of the trace metal. - evaluate the protective role of urban DOM on copper bioavailability. Results showed some particular characteristics of DOM from wastewater effluent such as a high proportion of hydrophilic DOM, i.e. a low hydrophobicity and a low degree of aromaticity underlying the low refractory character of urban DOM. Nevertheless a higher content of various functional groups was determined in urban DOM than in natural DOM. A very high content of proteinaceous structures was particularly identified in urban DOM. Binding experiments revealed for the first time on urban hydrophilic DOM, a higher content of binding sites than in natural DOM and these sites are strongly correlated to amino groups. The values of binding constant seem to not vary according to the nature of the fraction or the origin. The different approaches used to evaluate copper bioavailability depicted a protective role of DOM to the organisms Daphnia magna and Fontinalis antipyretica. Nevertheless this protective effect is hardly explained by the free ion concentration due to a bioavailability of some organic complexes. This feature could be explain with the high content of proteinaceous structures in these DOM fractions, since proteins are well know to play an important role in the transport mechanisms of trace metals into the organisms. Moreover, the DGT device (diffusive gradient in thin films) shows a good efficiency to assess the bioavailable copper

La membrane cellulaire est une partie vitale de la cellule dont l'architecture joue un rˆole crucial dans de nombreux processus cellulaires, comme la signalisation et le trafic, et dans diverses pathologies. Cette th'ese vise 'a sonder l'architecture membranaire via le mouvement de deux r'ecepteurs membranaires qui sont exploit'es par des toxines bact'eriennes. Les progr'es r'ecents des techniques de microscopie optique ont montr'e que certains r'ecepteurs membranaires ne diffusent pas librement dans la membrane, mais sont confin'es ou diffusent de fa¸con anomale. Actuellement, plusieurs mod'eles con- courent pour expliquer le confinement des r'ecepteurs, tel que le mod'e le Picket-Fence, les radeaux lipidiques et les agr'egats de prot'eines. Pour sonder la membrane, des nanoparticules (Y0.6Eu0.4VO4) dop'ees avec des lan- thanides sont coupl'ees 'a deux toxines peptidiques diff'erentes formant des pores dans la membrane, la toxine α de C. septicum et la toxine ǫ de C. perfingens. Le suivi de r'ecepteurs individuels sur lesquels sont fix'ees des toxines marqu'ees dans la mem- brane apicale de cellules MDCK avec un microscope 'a champ large permet de d'etecter le mouvement du r'ecepteur avec une r'esolution meilleure que la limite de diffrac- tion. Les r'ecepteurs de la toxine α et ǫ montrent une diffusion confin'ee avec des coefficients de diffusion similaires de 0.16 ± 0.14 µm2/s dans des domaines stables de 0.5 µm2. Pour analyser les trajectoires des r'ecepteurs, nous avons mis en oeuvre une nouvelle technique bas'ee sur une m'ethode d'inf'erence. Notre seule hypoth'ese est que le r'ecepteur se d'eplace selon l''equation de Langevin. Cette m'ethode exploite l'ensemble de l'information stock'ee dans la trajectoire et la qualit'e des valeurs extraites est v'erifi'ee par des simulations. Les deux r'ecepteurs sont confin'es dans un potentiel de type ressort avec une raideur de 0.45 pN/µm. Des exp'eriences apr'es d'epl'etion du cholest'erol par la cholest'erol oxydase et apr'es la d'epolym'erisation du cytosquelette par latrunculin B montrent que le confinement des r'ecepteurs individuels d'epend du taux de cholest'erol et que la d'epolym'erisation de l'actine n'influence pas le confinement. En utilisant la nanoparticule coupl'ee aux toxines comme un amplificateur de la force hydrodynamique applique'e par un flux liquide, nous avons mesur'e la r'eponse du r'ecepteur 'a une force ext'erieure. Les r'esultats indiquent une fixation des domaines de confinement sur le cy- tosquelette. Enfin, un mod'ele pour le confinement du r'ecepteur est propos'e, bas'e sur le couplage hydrophobe entre le r'ecepteur et la bicouche lipidique qui l'entoure. Ce mod'ele permet d'expliquer le potentiel de type ressort 'a l'int'erieur du domaine de confinement.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Un système microfluidique à onde élastique de surface a été développé dans le but de réaliser une réaction d'amplification de brins d'ADN par PCR. Nous avons principalement étudié la température et l'uniformité de l'échauffement des gouttes irradiées par des ondes de type Rayleigh. Ces dernières sont générées à la surface d'un substrat piézoélectrique de Niobate de Lithium (LiNbO3). Nous avons pensé un système consommant le moins d'énergie électrique possible pour atteindre les températures désirées et permettant une meilleure uniformité de la température des gouttes. Pour cela, un dispositif à transducteur enterré a été réalisé sous une couche isolante de silice. Les gouttes sont ainsi directement posées sur le transducteur ce qui limite les pertes et améliore la répartition de la chaleur au sein des gouttes. Nous avons ensuite vérifié que les réactifs de la PCR ne sont pas affectés par les ondes de Rayleigh ce qui laisse présager que la PCR peut être réalisée à l'aide d'un système d'échauffement par ondes de Rayleigh. Par ailleurs, le déplacement de goutte sur ce type de substrat de LiNbO3 est important pour des applications de type laboratoire sur puce. Ce substrat ayant des propriétés hydrophiles, des revêtements ont été développés afin de minimiser la force nécessaire à l'actionnement des gouttes. Dans ces travaux, nous proposons un nouveau type de couche à base de copolymère P(VDF-TrFe) dont la fabrication est simplement réalisée par dissolution et étalement par spin-coating. Nous avons montré que ce type de couche n'affecte que très peu la propagation des ondes de Rayleigh et les propriétés hydrophobes sont équivalentes à d'autres revêtements / In this work, a microfluidic system based on surface acoustic wave has been developed in order to achieve the amplification of DNA strands by temperature cycling (PCR). We studied mainly the temperature and the heat uniformity of microdroplets irradiated by Rayleigh waves. These waves are generated at the surface of a lithium niobate substrate. We propose a system allowing better temperature uniformity within microdroplets with an optimal energy consumption. For this, a device with buried transducer has been developed under an insulating layer (Silice). The droplets are then placed directly on the transducer which limits losses and improves the distribution of heat within the microdroplets. We then verified that the PCR reagents are not affected by the Rayleigh waves which suggests that PCR can be performed using a heating system by Rayleigh waves. Moreover, the move of microdroplets on this kind of LiNbO3 substrate is important for lab on chip applications. This substrate having hydrophilic properties, some coatings have been developed to minimize the required force to actuate the microdroplets. In this work, we developed a new hydrophobic layer based on copolymer P(VDF-TrFe) whose production is simply made by dissolving and spreading by spin-coating. We have shown that this kind of layer is compatible with Rayleigh waves and that the hydrophobic properties are equivalent to other coatings

Cette thèse conclut 3 années d'études doctorales sur le "dépôt de couches atomiques (ALD) de nitrure de bore (BN)". Le but de ce travail a été d'adapter la voie des céramiques dérivées de polymères (PDC) à la technique ALD pour la croissance de films minces de h-BN et l'élaboration de nanostructures fonctionnelles. Tout d'abord, un nouveau procédé d'ALD sans ammoniac en deux étapes, comprenant une croissance par ALD à basse température (80 °C) de polyborazine (PBN) à partir de 2,4,6-trichloroborazine et d'hexaméthyldisilazane suivi un traitement thermique à haute température sous atmosphère contrôlée a été développé. Ainsi, des films minces uniformes et homogènes de BN ont pu être déposés sur divers substrats. Le caractère autolimité des réactions mises en jeu ainsi que l'homogénéité des films sur des supports très structurés ont été vérifiés. De ce fait des nanostructures fonctionnelles BN ont été réalisées à partir de substrats ou de templates de dimensionnalité variée. Leurs applications en tant que revêtements protecteurs et comme filtres et éponges absorbantes pour purifier les eaux polluées par des hydrocarbures ont en particulier été étudiées. Enfin, un deuxième procédé ALD basse température (85-150°C) utilisant le tri(isopropylamino)borane et la méthylamine comme précurseurs a été préalablement étudié afin de confirmer l'adaptabilité de la voie PDC et la technique ALD. Des films minces de BN ont été obtenus sur des substrats plans et il a été prouvé que les vapeurs de tri(isopropylamino)borane peuvent infiltrer des fibres de polyacrylonitrile électrofilées.Ce travail a été entièrement réalisé à l'Université de Lyon et a reçu le soutien financier du China Scholarship Council (CSC) pour la bourse de doctorat ainsi que de l'Agence Nationale de la Recherche (projet n° ANR-16-CE08-0021-01) / This thesis achieves 3 years of PhD studies on “Atomic layer deposition (ALD) of boron nitride (BN)”. The aim of this PhD work is to adapt the polymer derived ceramics (PDCs) route to the ALD technique for h-BN thin film growth and elaboration of functional nanostructures. A novel two-step ammonia-free ALD process, which includes ALD deposition of polyborazine at low temperature (80 °C) from 2,4,6-trichloroborazine and hexamethyldisilazane followed by post heat treatment under controlled atmosphere, has been established. Conformal and homogeneous BN thin films have been deposited onto various substrates. The self-limitation of the reactions on flat substrates and the conformality of the films on structured substrates have been verified. Functional BN nanostructures have thus been fabricated using substrates or templates with different dimensionalities. In particular, their applications as protective coatings as well as filter and absorber to purify polluted water from organic/oil hav e been investigated. Finally, a second low temperature (85-150 °C) ALD process using tri(isopropylamine)borane and methylamine as precursors has preliminary been studied in order to confirm the adaptability of PDCs route to ALD technique. BN thin films have been grown onto flat substrate and it has been proven that tri(isopropylamino)borane vapor can infiltrate into electrospun polyacrylonitrile fibers.This work was carried out at University of Lyon and financially supported by the National Research Agency (project n° ANR-16-CE08-0021-01)

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'impact de gouttes de fluides à seuil. Au-delà des applications (impression à jet d’encre solide, modélisation d’impact solide à grandes vitesses), cette étude permet de sonder le rôle de l'élasticité sur le comportement à temps court de ces fluides complexes. D'abord, nous nous sommes intéressés aux impacts sur une surface rigide. L'utilisation de fluides à seuil modèles (solutions concentrées d’argiles, micro-gel de Carbopol) et de surfaces d'impact variées (partiellement mouillante ou super-hydrophobe), révèle une grande variété de comportements, allant de l'étalement viscoplastique irréversible jusqu'à des déformations élastiques géantes. Un modèle minimal d'étalement inertiel, incluant une rhéologie élasto/viscoplastique, permet de décrire dans un cadre unique les principaux régimes observés. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence un phénomène spécifique avec le Carbopol : pour des grandes vitesses d'impact, on observe un étalement beaucoup plus grand sur des surfaces rugueuses hydrophobes que sur des surfaces lisses. Cette réduction apparente du frottement basal est discutée en termes de longueur de glissement et d'instabilité de « splash ». Enfin, nous avons étudié l’impact d'une goutte de fluide sur un sol constitué du même fluide, en utilisant un fluide à seuil transparent (Carbopol). La combinaison de lois d'échelle, d’expériences en « micro-gravité » et de mesures locales du champ de déformation montre que la dynamique du cratère transitoire est dominée par l’élasticité, même au-delà du seuil d’écoulement. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le contexte des impacts de météorites en astrophysique. / This thesis presents an experimental study on the drop impact of yield-stress fluids. Beyond applications (solid ink-jet printing, lab modelling of high-speed collision of solids), this study offers a mean to probe the role of the elasticity on the short-time behaviour of these complex fluids. We have first studied drop impacts on solid rigid surfaces. Using different model yield-stress fluids (clay suspensions, Carbopol micro-gel) and impacted surfaces (partially wettable, super-hydrophobic), we have observed a rich variety of behaviours ranging from irreversible viscoplastic coating to giant elastic spreading and recoil. A minimal model of inertial spreading, including an elasto/viscoplastic rheology, allows explaining in a single framework the different regimes and scaling laws. In this study, we identified a specific phenomenon with Carbopol: for large impact velocities, the drop spreads much more on rough hydrophobic surfaces than on smooth surfaces. This apparent reduction of the basal friction is discussed in terms of slip length and splash instability. Endly, we investigated the impact of a drop onto a pool of the same fluid, using a transparent yield-stress fluid (Carbopol). The combination of scaling laws, micro-gravity experiments and local deformation measurements shows that the transient crater is dominated by elasticity, even beyond the flow threshold. These results could have implications for impact cratering in Planetary Sciences.

L’influence de paramètres de synthèse et de traitements post-synthèse sur le caractère hydrophobe/hydrophile de silices mésoporeuses organisées (SMO) de type SBA-15 a été étudiée. Ainsi nous avons montré que la durée du mûrissement peut être réduite à la durée nécessaire à la précipitation. La température, l’agitation et la durée de synthèse modulent la morphologie des particules et des agrégats. Le mode de chauffage, la présence d’un sel inorganique et le rapport silice/tensioactif ont un effet sur la structure et la texture du matériau. Concernant les traitements post-synthèse, nous avons considéré l’élimination de l’agent structurant et la fonctionnalisation par greffage. Le taux de silanols diminue suite au vieillissement mais surtout après calcination : cette étape efface les différences en termes de teneur en silanols. C’est la raison pour laquelle une nouvelle méthode d’élimination du tensioactif efficace (dès 300 °C) et rapide (dès 15 min) a été mise en œuvre : la calcination à l’aide d’un four à induction conduit à un matériau avec des propriétés structurales, texturales et une teneur en silanols supérieures à celles d’une SMO de type SBA-15 calcinée par la méthode conventionnelle. La calcination par induction a également été appliquée avec succès sur différents types de SMO telles que la SBA-16 et la MCM-41. Ensuite, l’influence des caractéristiques initiales de la SMO sur la fonctionnalisation par un greffage post-synthèse a été étudiée. Une SMO de type SBA-15 plus hydrophobe a été obtenue avec un greffon possédant une seule fonction condensable. La teneur initiale et probablement l’accessibilité des silanols ont un impact significatif sur le taux de greffage. / The influence of synthesis parameters and post-synthesis treatments on the hydrophobic/hydrophilic character of SBA-15 type ordered mesoporous silicas (OMS) was studied. It was found that the duration of ripening can be reduced to the precipitation time. Temperature, stirring and duration of synthesis steps can modulate the morphology of particles and aggregates. Heating process, presence of an inorganic salt and silica/surfactant ratio are also parameters that affect the structure and texture of the material. Concerning post-synthesis treatments, the elimination of the template and the functionalization by grafting were considered. The rate of silanols decreases during aging but mostly after calcination: this step erases the differences in silanol content. This is why a new method for an effective (at 300 ° C) and fast (for 15 min) removal of the surfactant has been implemented: the calcination using an induction furnace leads to a material with structural, textural properties and silanol content greater than those of a SBA-15 material calcined by the conventional method. The calcination induction has also been successfully applied on different types of OMS such as SBA-16 and MCM-41. Then, the influence of the OMS characteristics on functionalization by post-synthesis grafting was studied. The more hydrophobic SBA-15 material was obtained with a grafting agent possessing a single condensable function. It was also observed that the initial content and the accessibility of silanols probably have a significant impact on the grafting rate.