Dans le domaine de la microrobotique, la manipulation d'objets de petites tailles (micromécanismes, cellules, etc...) est courante. Afin de caractériser les interactions aux dimensions de travail considérées, la mesure de force en microrobotique est nécessaire. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de forces qui repose sur un principe de lévitation magnétique passive et ne nécessitant pas d'asservissement pour assurer la lévitation. Les dimensions globales du capteur n'excèdent pas un volume total de 170 mm x 100 mm x 60 mm. Le capteur est composé d'une tige en matériau polymère, servant d'effecteur, sur laquelle sont fixés deux aimants permanents. L'ensemble tige et aimants permanents lévite entre deux plaques de graphite à l'aide d'une configuration particulière d'aimants porteurs. La mesure de force avec le capteur développé peut se faire principalement suivant trois directions. L'utilisation de ce capteur permet de couvrir une plage de mesure deforce allant de quelques dizaines de nanonewton (nN) à plusieurs milliNewton (mN) avec une résolution de mesure de l'ordre du nanoNewton (nN). Les modèles magnétiques et diamagnétique développés permettent de déterminer les forces qui s'appliquent sur l'effecteur par le biais de la connaissance de la position spatiale de la tige. En terme applicatif, le capteur de forces est actuellement utilisé pour la détermination des caractéristiques mécaniques de cellules humaines de type ovocyte. Ce travail est mené en étroite collaboration avec l'équipe de fécondation in vitro du CHU de Besançon.

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

A l’échelle du micromètre, les forces de surface appliquées à l’objet deviennentprépondérantes par rapport aux forces volumiques. Dans le but de s’affranchirdu phénomène d’adhésion causé par ces effets d’échelle, la microrobotique sanscontact apparaît comme une voie prometteuse. Nos travaux sont à la jonctionentre la microrobotique et la chimie des surfaces. L’objectif de cette thèse est deproposer une méthode de micromanipulation innovante exploitant la chimie dessurfaces afin de contrôler les forces électrostatiques. Nous exploitons les chargesélectriques créées par les fonctions chimiques dépendantes du pH lorsqu’elles sontplacées en milieu liquide. La modélisation des interactions entre une surface et unmicro-objet fonctionnalisés repose sur l’exploitation du phénomène de la doublecouche électrique. Deux principes de fonctionnalisation de surface ont été utilisés;les monocouches auto-assemblées (APTES) qui sont facilement mises en oeuvreet les films de polymères (polyaniline, polypyrrole) par voie électrochimique quipermettent d’obtenir des dépôts localisés. Les résultats obtenus mettent en évidencel’intérêt de l’exploitation des forces électrostatiques d’origine chimique pour desapplications de micromanipulation. / On the micrometer scale, surface forces applied to the object are significant comparedto volume forces. In order to overcome the adhesion phenomenon caused by thesescale effects, contactless microrobotics appears promising. Our work is mergingwith microrobotics and chemistry of surfaces. The objective of this thesis is topropose a method of micromanipulation based on innovative surface chemistry tocontrol electrostatic forces. The principle is based on the electric charges generatedby pH dependent chemical functions when placed in liquid medium. Modeling ofthe interaction between a surface and a micro- functionalized object is based onthe exploitation of the phenomenon of the electrical double layer. Two surfacefunctionalization principles were used, (i) self-assembled monolayers (APTES),and (ii) electrodeposition of polymer films (polyaniline , polypyrrole) that enablelocalized deposits. The results highlight the interest of using electrostatic chemicalforces for micromanipulation applications.

Ce travail concerne l'étude d'un dispositif original pour la détection de gaz tels que le dioxyde de soufre et le monooxyde de carbone. Il s'agit d'un capteur électrochimique développé à partir d'un électrolyte solide, l'alumine-bêta, sur lequel sont déposées par pulvérisation cathodique deux électrodes métalliques de propriétés catalytiques différentes: l'une est en or, l'autre est en platine. La force électromotrice mesurée entre les deux électrodes est représentative de la concentration en gaz réducteurs présents dans l'atmosphère. Les performances électriques obtenues sont très nettement améliorées par un prétraitement gazeux au dioxyde de soufre qui assure la formation d'une couche épaisse de sulfate de sodium à la surface de l'alumine-bêta. La stabilité sous air devient tout à fait remarquable et la sensibilité au monooxyde de carbone, par exemple, est multipliée par deux. L'origine des phénomènes électriques obtenus sur un tel dispositif ne comportant qu'un seul compartiment gazeux est proposée sur la base d'un mécanisme cinétique diffèrent au niveau des deux catalyseurs métalliques. Ce modèle permet d'interpréter les influences de la pression du gaz réducteur et de la pression d'oxygène sur les variations de la force électromotrice enregistrée

L'étude du couplage hybride entre les vibrations d'un résonateur mécanique et un degré de liberté quantique requiert une très grande sensibilité en force. Ceci a motivé le développement récent de nano-oscillateurs ultra-légers, qui constituent des sondes de force ultra-sensibles opérant désormais au niveau de l'attoNewton.Le premier volet de ce travail traite de l'habillage mécanique d'un nanofil suspendu de carbure de silicium, oscillant dans deux directions transverses. Son évolution Brownienne ou excitée dans un champ de force externe perturbe ses propriétés : fréquences et directions propres de vibration. Une technique de mesure optique des vibrations du nanofil en deux dimensions a été développée. Elle a permis, dans un premier temps, de cartographier un champ de force électrostatique, révélant une phénoménologie de l'habillage spécifique aux dimensions supérieures à un. En particulier, les composantes cisaillantes du champ induisent une rotation des directions propres de vibration. Dans un deuxième temps, la technique de mesure a été testée dans un champ de force optique, produit par un laser focalisé sur le nanofil, et qui contient une composante rotationnelle, non conservative. On rapporte l'observation d'une brisure de l'orthogonalité des modes propres, d'une distorsion et d'une amplification des spectres de mouvement Brownien, toutes en accord avec le modèle décrivant l'habillage mécanique du nanofil par ce champ de force externe non potentiel. A partir d'un protocole adapté à la multi-dimensionnalité du système, une déviation à la relation fluctuation-dissipation a également été mesurée : il s'agit d'une conséquence de la sortie de l'équilibre induite par la force optique non-conservative. L'étude des propriétés thermodynamiques du système suggère des corrections à la relation fluctuation-dissipation et prédit enfin un phénomène de compression du bruit thermique de l'oscillateur en champ de force rotationnel.Le deuxième volet de la thèse concerne le système hybride constitué d'un nanofil et d'un qubit de spin, un centre coloré NV du diamant attaché à son extrémité. Les propriétés optiques de cette source de photons uniques oscillante sont caractérisées à partir de la mesure de corrélations spatio-temporelles de la fluorescence du centre NV sur lesquelles les vibrations de l'oscillateur se retrouvent encodées. Nous avons ainsi développé un système de mesure du mouvement compatible avec de très faibles flux de photons, inférieurs en particulier au taux de décohérence mécanique. La dernière partie de ce manuscrit présente une étude préliminaire du couplage du spin-mécanique. Après l'observation d'un triplet de Mollow phononique, les développements expérimentaux de la première partie de la thèse ont été intégrés à une expérience hybride de seconde génération stabilisée amenant la mesure de force ultra-sensible à la portée du système hybride. / The study of the hybrid coupling between the vibrations of a mechanical resonator and a quantum degree of freedom requires extremely high force sensitivities. This was one of the motivations for the recent development of ultra-light nano-oscillators which are ultra-sensitive force probes now routinely operating at the attoNewton level.The first part of this work deals with the mechanical dressing of a silicon carbide suspended nanowire oscillating in two transverse directions. Its Brownian or driven evolution in an external force field modifies its mechanical properties: eigen-frequencies and eigen-directions of oscillation. An optical technique to measure the nanowire vibrations in two dimensions was developed. First, this technique enabled to map out an electrostatic force field, which revealed a dressing phenomenology specific to dimensions greater than one. In particular, shearing components of the force field are responsible for a rotation of the eigen-directions of vibration. Second, the measurement technique was tested in an optical force field applied by a laser focused on the nanowire. This field contains a rotational, non-conservative component. The reported experimental observations: eigenmodes orthogonality breaking, distorsion and amplification of Brownian motion spectra, are all in good agreement with the model of the mechanical dressing. Using a protocol adapted to the multidimensionality of the system, a deviation to the fluctuation-dissipation relation has also been measured, as a consequence of the non-conservative force bringing the system out of equilibrium. The study of this system's thermodynamic properties suggests corrections to the fluctuation-dissipation relation and predicts a squeezing of the oscillator's thermal noise in rotational force fields.The second part of the thesis concerns the hybrid system composed of a nanowire and a spin qubit: a colored NV center in diamond bound to its extremity. The optical properties of this oscillating single photon source are characterized through the measurement of space-time fluorescence correlations on which the oscillator's vibrations are encoded. We then developed a motion measurement technique compatible with very low photon fluxes, in particular inferior to the mechanical decoherence rate. The last part of the manuscript presents a preliminary study of the spin-mechanical coupling. After the observation of a phononic Mollow triplet, the experimental developments of the first part of the thesis were integrated in a second-generation stabilized hybrid experiment bringing the ultrasensitive force measurement within the reach of the hybrid system.

En microrobotique, l'interaction directe avec les objets par l'opérateur est impossible, en raison notamment de leur taille, des phénomènes physiques complexes et de la grande sensibilité des systèmes aux conditions environnementales. Les systèmes de téléopération apparaissent comme un moyen prometteur pour interagir avec l'échelle microscopique où la perception sensorielle humaine a dépassé ses limites. Cependant, ces systèmes doivent répondre à deux problématiques importantes: la transparence du fait des phénomènes physiques complexes qui doivent être retransmis et la stabilité du fait de la réduction d'échelle. Bien que les travaux actuels aient donné lieu à des systèmes performants, des insuffisances apparaissent notamment par la prise en compte de la spécificité du couplage haptique, de la mesure de microforces, de l'inertie importante des interfaces haptiques utilisées, etc. Pour obtenir des systèmes complets et intuitifs, plusieurs points doivent être abordés : le choix d'une interface haptique adaptée, le développement d'un nouvel outil de mesure de microforces, la synthèse de loi de commande et l'utilisation d'un couplage bilatéral direct. Une chaîne de micro téléopération est conçu en prenant en compte les points précédents. Des téléopérations mono-dimensionnelles ont pu être menées pour valider la chaîne. Plusieurs utilisateurs inexpérimentés ont réussi à utiliser le système pour interagir avec une goutte d'eau. Ils ont pu ressentir les différents efforts d'interaction, notamment le pull-in et le pull-off. Ce travail n'est qu'un premier pas vers des systèmes de micro téléopération intuitifs. Il montre aussi l'intérêt de l'approche proposée en microrobotique.

Les colloïdes superparamagnétiques sont utilisés dans de nombreuses études pour appliquer une force sur des cellules ou des molécules d'ADN. Dans une première partie, nous explorons le processus physique par lequel ces objets acquièrent une imantation leur permettant d'exercer des forces. Nous montrons comment la présence de quelques gros grains ferromagnétiques dans les colloïdes leur permet de s'orienter dans un champ externe. La robustesse de ce modèle est démontrée par sa généralisation à plusieurs tailles de colloïdes et sa cohérence avec les propriétés du ferrofluide ayant servi à les fabriquer. Dans une seconde partie, la réaction de filaments d'actine à la pression exercée par des colloïdes superparamagnétiques est étudiée. Nous sondons ainsi le mécanisme par lequel la polymérisation d'actine peut générer les forces à l'origine du phénomène de motilité cellulaire. La maîtrise de l'organisation des filaments autorise à étudier deux situations idéales. Dans l'une les filaments sont très fluctuants, et nous montrons que leur longueur est indépendante de la force appliquée. Ceci n'est plus vrai dans la deuxième situation, où les filaments rigides poussent face à la charge. Nous mesurons ainsi pour la première fois l'effet d'une force sur la vitesse de polymérisation de l'actine. Un modèle numérique de type Brownian ratchet sans partage de la charge permet de décrire la force générée.