Nous explorons la variété des types d'interactions électrostatiques entre les charges dans des films minces à haute permittivité diélectrique, en analysant le cas particulier de l'interaction de Coulomb bidimensionnel logarithmique. Pour ce système, nous proposons une méthode de réglage du régime d'interaction à l'aide de l'électrode externe. Nous étudions ensuite les électrostatiques des charges étendues dans les matériaux diélectriques: des fils et des bandes chargés de manière homogène ou périodique. En s'appuyant sur les potentiels électrostatiques calculés de ces objets, nous abordons plusieurs applications possibles. Tout d'abord, nous suggérons la méthode non destructive pour mesurer la constante diélectrique des films minces déposés par un substrat par un condensateur à deux fils. Ensuite, nous étudions la formation des domaines dans des films ferroélectriques avec la polarisation dans le plan. L'apparition de la texture en domaines est causée soit par le bord chargé d'un échantillon de taille finie, soit par l'existence d'une paroi de domaine chargé dans le film. Les deux phénomènes augmentent l'énergie électrostatique de l'échantillon, ce qui stimule l'apparence des domaines pour minimiser l'énergie totale. Nous montrons que la taille équilibre du domaine dépend de la géométrie de l'échantillon et, pour les domaines dans le plan, elle viole la loi racine carrée de Kittel, étant inversement proportionnelle à l'épaisseur du film / We explore the various types of electrostatic interaction between charges in thin films with high dielectric permittivity, including the special case of the two-dimensional logarithmic Coulomb interaction, and propose a method of tuning the interaction regime using the external gate electrode. Changing the gate-to-film distance, one may alter the electrostatic screening length of the dielectric sample and control the ranges of different interaction types. We investigate next the electrostatics of extended charges in dielectric media, modeling the electrostatic potential distribution for charged wires, stripes and domain walls, with either homogeneous or periodic linear charge density. Basing on the calculated dependencies of the potential on the system geometry and material parameters, we discuss several possible applications: i ) we suggest the non-destructive method for measuring the dielectric constant of substrate deposited thin films by a two-wire capacitor; ii ) we study the domain structure formation in ferroelectric films with in-plane polarization. We show that for the in-plane striped 180˚ domain structure, induced by the discontinuity of the order parameter at the film edge, the equilibrium domain width violates the Kittel's square root law, being instead inversely proportional to the film thickness. The calculations for the in-plane domains, generated by the microscope tip or charged domain wall in the ferroelectric slab, demonstrate the conformity of the optimal domain length to the characteristic electrostatic length of the sample, and accord with the experimental data

Le présent travail est destiné à acquérir un ensemble de données expérimentales et quantitatives cohérentes sur le comportement physico-chimique d'un système constitué d'un polysaccharide linéaire, flexible et chimiquement fonctionnalisé en groupements carboxyliques, le carboxyméthyl-dextrane (CMD) et d'un milieu ionique comportant des cations d'affinité variée pour ces fonctions : Na+, Ca2+ et Cd2+. La densité de sites et leur constante de dissociation - complexation ont été déterminées par titrage potentiométrique avec des électrodes spécifiques (proton et cadmium). Les propriétés électro-hydrodynamiques et les transitions conformationnelles ont été étudiées en combinant la conductimétrie, l'électrophorèse, la diffusion dynamique de lumière et la viscosimétrie. Enfin, la stabilité colloïdale en relation avec les interactions intermoléculaires a été étudiée par turbidimétrie et diffusion dynamique de lumière. En présence d'ions monovalents, le comportement du CMD, typique d’une particule microgel molle, est déterminé par la force ionique et la concentration en polysaccharide. A basse force ionique, le CMD est en condition de bon solvant lorsqu'il est peu concentré tandis que le recouvrement des doubles-couches électriques autour des macromolécules détermine les propriétés électro-hydrodynamiques du CMD en régime concentré. A haute salinité, les interactions électrostatiques intramoléculaires et interparticulaires sont négligeables, et la macromolécule a un comportement caractéristique de polymère en mauvais solvant à haute fraction volumique. En présence de cations divalents, le calcium, et plus encore le cadmium, entrent en compétition avec le proton pour l’occupation des sites carboxyliques, ce qui s’accompagne par une réorganisation locale des chaînes polymères. A haute force ionique, la taille élevée des agrégats, la vitesse initiale d'agrégation élevée, ainsi que la persistance d'une forte turbidité au maximum d'effet, suggèrent que les agrégats sont formés en régime de type agrégation limitée par la diffusion des particules (DLA) / The present work focused on the acquisition of experimental and quantitative data on the physico-chemical properties of a linear, flexible and chemically functionalized polysaccharide by carboxymethyl grafting, yielding carboxymethyldextran macromolecules (CMD) and an aqueous electrolyte containing various ions Na+, Ca2+ et Cd2+ with different chemical affinity for these chemical functions. Charge density and complexation – dissociation constants have been evaluated using specific electrodes-based potentiometric titration. The electro-hydrodynamic properties and the conformational transitions were examined through electrical conductivity increment measurements, electrophoresis, dynamic light scattering and viscosimetry. Also, colloidal stability has been investigated by means of turbidimetry and dynamic light scattering. In the presence of monovalent ions, the behaviour of CMD, typically that of a soft microgel particle, is strongly depending on ionic strength and polysaccharide content. For low ionic strengths and in dilute regime, CMD is in situation of good solvent while in concentrated regime, overlapping double layers that develop around macromolecules governs the electro-hydrodynamic features of CMD. For sufficiently high ionic strengths, intermolecular and intramolecular electrostatic interactions are nearly suppressed, and CMD behaves as a polymer in bad solvent upon increase of its concentration in the medium. In the presence of divalent ions, calcium ions and cadmium ions are in competition with hydronium ions to occupy the carboxylic sites, and this situation is concomitantly accompanied by local reorganization of polymer chains. The large size of formed clusters, the high initial aggregation rate and the increased turbidity all suggest that aggregates are generated according to a diffusion limited aggregation (DLA) type of mechanism

Ce travail porte sur l’étude de mésophases lamellaires lyotropes qui contiennent des polymères hydrosolubles confinés dans les lamelles d’eau de l’empilement. L’effet du polymère confiné sur la stabilité de la structure lamellaire est en particulier étudié grâce à une mesure directe des interactions entre les membranes de tensioactif grâce la technique du Surface Force Apparatus (SFA). Les systèmes étudiés sont des fluides complexes et très visqueux ce qui a donné lieu au développement d’une nouvelle méthode pour analyser les données collectées. En l’absence de polymère dissous dans l’empilement lamellaire, la valeur du module de compressibilité élastique mesurée est remarquablement interprétée avec la théorie électrostatique corrigée des corrélations des contre-ions. En présence de polymère, au fur et à mesure que les macromolécules remplacent le contenu en eau, le module élastique de compressibilité de l’empilement lamellaire chute,signature d’une interaction attractive due à la présence des macromolécules. Néanmoins, les développements théoriques proposés ne parviennent pas à interpréter quantitativement cette décroissance. De plus, des comportements très intéressants et inattendus ont été mis en évidence lors de l’approche d’un point critique : la présence de dislocations de très grands vecteurs de Burgers à grande séparation ainsi que des phénomènes d’avalanches. En particulier, des énergies de nucléation de dislocation ont pu être extraites. / This work deals with lyotropic lamellar mesophases which contain confined hydrosoluble polymers in the water layers of the stack. In particular the effect of confined polymers on the stability of the lamellar structure is investigated through a direct measurement of the interactions between the surfactant membranes thanks to the Surface Force Apparatus (SFA) technique. The investigated systems are complex fluids and samples are extremely viscous, this is why a new procedure for analyzing the collected data has been developed. In the absence of dissolved polymer in the lamellar stack, the measured value of the elastic compressibility modulus is remarkably interpreted with the electrostatic interaction corrected from the counterions correlations. In the presence of polymer, as long as the macromolecules replace the water content the elastic compressibilitymodulus of the lamellar stack decreases, evidencing an attractive interaction due to the macromolecules. Nevertheless, the proposed theoretical developments fail to quantitatively interpret this drop. Moreover, very interesting and unexpected phenomena have been evidenced on the approach of one critical point: dislocations of large Burgers vectors at large separations and avalanche phenomena. In particular dislocation nucleation energies have been extracted.

L'organisation de la chromatine eucaryote ainsi que les mécanismes qui régulent sa compaction restent discutés. Nous proposons de comprendre le rôle de variations locales de charges et de concentrations ioniques dans l'organisation supramoléculaire de la chromatine. Nous utilisons un système modèle, la particule cœur de nucléosome (NCP) constituée de 146pb d'ADN qui s'enroulent autour d'un octamère d'histones sur un 1.75 tours. Les extensions terminales des histones, les queues, sont mobiles et positivement chargées. A l'aide de NCPs reconstituées à partir d'ADN et d'histones intactes ou globulaires recombinants, nous montrons que les queues des histones H3 et H4 sont essentielles pour l'établissement d'interactions attractives entre NCPs, en solution diluée. Le rôle d'ions multivalents dans les interactions entre NCPs et la formation de précipités ont été étudiés. Le rôle des queues d'histones est également abordé pour la formation de phases denses obtenues sous stress osmotique.

Un algorithme de simulation de l'interaction électrostatique est introduit, fondé sur un champ électrique fluctuant contraint par la loi de Gauss. Sa localité lui confère un coût linéaire en Monte Carlo.<br /><br />L'utilisation de conditions aux bords périodiques ne requiert pas de terme correctif, en contraste avec les méthodes usuelles. La simulation de systèmes quasi-bidimensionnels en est facilitée. Des surfaces quelconques à potentiel fixé peuvent être introduites.<br /><br />La loi de Gauss couple la dynamique des charges et du champ. La présence de charges libres accélère la relaxation du champ. La mobilité des charges est freinée par une « traînée de champ » qu'elles laissent en se déplaçant ; la modélisation quantitative de cet effet conduit à une méthode systématique pour le supprimer.

Le but de cette thèse est d'étudier l'influence des propriétés d'une suspension colloïdale sur l'efficacité du procédé d'ultrafiltration appliqué au traitement de l'eau. Pour cela, les expériences, détaillées dans une première partie, sont menées avec une suspension colloïdale d'argile contenant des électrolytes. Les propriétés physico-chimiques d'un tel mélange font l'objet du deuxième chapitre où la stabilité de la suspension est définie à travers la théorie DLVO, c'est à dire en considérant les interactions électrostatiques. Le troisième chapitre analyse l'influence de la stabilité de la suspension sur le colmatage de la membrane. Des modélisations permettent d'expliciter physiquement ces résultats en prenant en compte l'influence des interactions électrostatiques sur les mécanismes de transfert qui régissent l'ultrafiltration: la cinétique de dépôt et la résistance hydraulique du dépôt. L'étape de décolmatage de la membrane après les filtrations est exposée dans un quatrième chapitre. Une cinquième partie présente le rejet de sel engendré par le dépôt de colloïdes. Ce phénomène est décrit par les répulsions électrostatiques entre les ions et les surfaces chargées du colloïde. En conclusion, cette thèse présente donc plus généralement l'influence de la stabilité d'une suspension ou des interactions électrostatiques sur l'ensemble des mécanismes de transfert intervenant lors du colmatage d'une membrane d'ultrafiltration par un colloïde.

Dans les milieux naturels, la matière solide est essentiellement présente sous la forme de (bio)particules molles perméables aux ions et aux flux hydriques. Ces particules sont sans cesse soumises à des perturbations électriques/mécaniques, de telle sorte que les propriétés physico-chimiques des (bio)interphases qu'elles forment avec le milieu évoluent continûment dans le temps. Les (bio)interphases ne sont donc pas nécessairement à l'équilibre durant les processus interfaciaux (interactions électrostatiques, complexation de métaux). Dans ce contexte, nous avons évalué théoriquement l'énergie d'interaction électrostatique à l'équilibre entre (bio)particules molles multicouches de tailles et de densités de charge arbitraires. Puis nous avons déterminé l'impact de la dynamique hors-équilibre des propriétés électriques de (bio)films mous ligands sur leur capacité à former des complexes avec des métaux. Le dernier modèle théorique élaboré a pour objectif l'analyse de la dynamique de (bio)interphases multicouches hétérogènes en régimes d'équilibre et hors-équilibre. Enfin nous avons analysé à l'équilibre, en alliant l'AFM et l'électrophorèse, les propriétés mécaniques et électriques de bactéries E. coli exprimant spécifiquement (ou non) des structures de surface différentes. Toutes ces études ont montré la nécessité de prendre en compte pour l'analyse de la réactivité de (bio)particules dans leur milieu environnant (i) une représentation fidèle des (bio)particules (mollesse mécanique et hydrodynamique, hétérogénéité spatiale de la structure molle) et (ii) l'impact de la dynamique spatio-temporelle des (bio)interphases sur les processus gouvernant leur réactivité / In natural media, the solid matter is mainly present as soft (bio)particles (bacteria, viruses, humic acids) which are permeable toward ions and hydric fluxes. These (bio)particles are unceasingly exposed to electrical/mechanical perturbations, so that the physicochemical properties of (bio)interphases, developed by (bio)particles with the medium, evolve continuously. (Bio)interphases are thus not necessarily at equilibrium during interfacial processes e.g. electrostatic interactions, complexation with metallic contaminants. Under such a context, we evaluated theoretically at equilibrium the electrostatic interaction energy between soft multilayered (bio)particles with arbitrary sizes and charge densities. We then determined the impact of non- equilibrium electric properties of soft ligand polymeric (bio)films on their ability to form complexes with metals. The aim of the last theoretical model developed here is to analyze the dynamics of multilayered heterogeneous (bio)interphases in both equilibrium and non-equilibrium regimes. Finally we analyzed at equilibrium, by coupling AFM and microelectrophoresis measurements, mechanical and electrical properties of bacterial strains Escherichia coli that specifically express (or not) different surface structures (pili, fimbriae, adhesin Ag43). All these studies highlighted the necessity to integrate for the analysis of (bio)particles reactivity with their surrounding medium (i) a close representation of soft (bio)particles (mechanical and hydrodynamic softness, spatial heterogeneity of the soft material) and (ii) the impact of spatiotemporal dynamics of (bio)interphases on the processes governing their reactivity

Ce travail porte sur l'étude de mésophases lamellaires lyotropes qui contiennent des polymères hydrosolubles confinés dans les lamelles d'eau de l'empilement. L'effet du polymère confiné sur la stabilité de la structure lamellaire est en particulier étudié grâce à une mesure directe des interactions entre les membranes de tensioactif grâce la technique du Surface Force Apparatus (SFA). Les systèmes étudiés sont des fluides complexes et très visqueux ce qui a donné lieu au développement d'une nouvelle méthode pour analyser les données collectées. En l'absence de polymère dissous dans l'empilement lamellaire, la valeur du module de compressibilité élastique mesurée est remarquablement interprétée avec la théorie électrostatique corrigée des corrélations des contre-ions. En présence de polymère, au fur et à mesure que les macromolécules remplacent le contenu en eau, le module élastique de compressibilité de l'empilement lamellaire chute,signature d'une interaction attractive due à la présence des macromolécules. Néanmoins, les développements théoriques proposés ne parviennent pas à interpréter quantitativement cette décroissance. De plus, des comportements très intéressants et inattendus ont été mis en évidence lors de l'approche d'un point critique : la présence de dislocations de très grands vecteurs de Burgers à grande séparation ainsi que des phénomènes d'avalanches. En particulier, des énergies de nucléation de dislocation ont pu être extraites.