Thèse de doctorat : Chimie physique. Physico-Chimie de la matière molle : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Reproduction de : Thèse doctorat : Physique : Reims : 2008. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f.

Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2002. / N° d'ordre (Lille) : 3222. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 235-251.

Le potentiel de motilité des cellules de l’organisme est d’une importance capitale pour plusieurs processus assurant son homéostasie. Toutefois, une perte de contrôle dans cette habilité peut entraîner des conséquences dramatiques, comme cela est observé chez les cellules malignes de différents cancers. Les glioblastomes démontrent une capacité d’invasion phénoménale qui explique en grande partie le faible pronostic associé à ces cancers du système nerveux central. Deux éléments, sur lesquels reposent cette particularité, ont attiré notre attention, soit l’interaction entre le récepteur d’adhésion CD44 et l’acide hyaluronique ainsi que les phénomènes de contraction du corps cellulaire. L’acide hyaluronique est un très grand polysaccharide fortement présent dans le cerveau et dont les tumeurs ont la propension d’en enrichir leur environnement. Parallèlement, son principal récepteur membranaire, le CD44, est surexprimé dans nombres de cancers et contribuerait de manière importante à l’invasion des glioblastomes. L’implication mécanique du CD44 dans le déplacement cellulaire, bien que suggéré par plusieurs études, doit toutefois être encore confirmée. La matrice extra-cellulaire de l’encéphale présente très peu d’espaces à travers lesquels les cellules malignes peuvent s’immiscer. Ces cellules doivent donc se déformer afin de pouvoir s’introduire dans des interstices souvent inférieurs au diamètre du corps cellulaire. Il a été démontré, que pour ce faire, le corps cellulaire est compressé par l’action de l’acto-myosine d’une manière dépendante de RocK. Nous avons voulu évaluer si la stabilité mécanique du couple HA/CD44 était capable d’assurer la transmission de forces de traction et s’il était possible d’observer, avec une haute résolution, les mouvements de contraction du corps cellulaire. Pour ce faire, nous avons employé des techniques innovatrices dérivées des nanosciences afin de sonder ces événements sur des cellules de glioblastomes en culture. Les résultats obtenus révèlent que le CD44 présente effectivement plusieurs caractéristiques similaires aux intégrines telles qu’une affinité pour son ligand qui est dépendante de son association au cytosquelette d’actine, un renforcement potentiel de son ancrage au réseau d’actine ainsi qu’une distribution déterminée à la surface de la cellule. Les expériences visant à investiguer les processus de contraction des glioblastomes ont permis l’observation de mouvements oscillatoires de quelques nanomètres seulement sur leur surface dorsale. Ces fluctuations sont attribuables à l’action de l’actomyosine et nécessite la présence fonctionnelle de RocK. De plus, une analyse fréquentielle a démontré une périodicité similaire aux cycles de protrusion et de rétraction qui avaient été observés sur le lamellipode de fibroblastes. Cette thèse présente en détail ces observations et décrit leurs implications en physiologie cellulaire.

La microscopie à force atomique (AFM) est un outil de caractérisation d’échantillons tant organiques qu’inorganiques d’intérêt en physique, en biologie et en métallurgie. Le champ d’investigation de la microscopie AFM reste néanmoins restreint à l’étude des propriétés surfaciques des échantillons et la caractérisation sub-surfacique à l’échelle nanométrique n’est pas envisageable au-delà de la nano-indentation. Lors de ce travail, nous nous sommes intéressés à deux techniques de sonde locale complémentaires pour l’investigation volumique haute résolution.La première technique proposée est la microscopie de champ proche ultrasonore (MS-AFM), mise en place et exploitée en collaboration avec Dr. L. Tétard de l’Université Centrale de Floride. Cette technique fournie des informations localisées en profondeur en utilisant des ondes acoustiques dans la gamme de fréquences du MHz. Une étude complète de l’influence des paramètres de fréquences a été réalisée sur des échantillons de calibration et a permis de valider un modèle d’interprétation numérique. Cette technique ultrasonore, non invasive, a été appliquée à la caractérisation de vésicules lipidiques au sein de bactéries lors d’une collaboration avec les Pr. A. Dazzi et M.-J. Virolle, de l’Université Paris Sud Orsay. Un couplage a été réalisé avec la microscopie AFM infra-rouge (AFM-IR). Cette étude a démontré le potentiel d’investigation et d’analyse volumique et chimique d’échantillons biologiques.La seconde technique étudiée est la microscopie micro-onde (SMM), développée en collaboration avec la société Keysight. Cette technique, tout comme la microscopie acoustique, est non invasive et conduit à une caractérisation physico-chimique basée sur l’interaction de micro-ondes (0.2-16 GHz) avec la matière. Dans le cas de métaux, un lien entre la fréquence et la profondeur d’investigation a été mis en évidence. Cette technique a été appliquée à l’étude de la diffusion d’élément chimique léger au sein de métaux et à la mesure des propriétés mécaniques des matériaux. L’ensemble de ces résultats ouvre un nouveau champ d’investigation de la tomographie 3D dans l’analyse volumique à l’échelle nanométrique que ce soit dans le domaine de la biologie ou de la métallurgie. / The atomic force microscope (AFM) is a powerful tool for the characterization of organic and inorganic materials of interest in physics, biology and metallurgy. However, conventional scanning probe microscopy techniques are limited to the probing surface properties, while the subsurface analysis remains difficult beyond nanoindentation methods. Thus, the present thesis is focused on two novel complementary scanning probe techniques for high-resolution volumetric investigation that were develop to tackle this persisting challenge in nanometrology. The first technique considered, called Mode Synthesizing Atomic Force Microscopy (MSAFM), has been exploited in collaboration with Dr. Laurene Tetard of University of Central Florida to explore the volume of materials with high spatial resolution by means of mechanical actuation of the tip and the sample with acoustic waves of frequencies in the MHz range. A comprehensive study of the impact of the frequency parameters on the performance of subsurface imaging has been conducted through the use of calibrated samples and led to the validation of a numerical model for quantitative interpretation. Furthermore, this non-invasive technique has been utilized to locate lipid vesicles inside bacteria (in collaboration with Pr. A. Dazzi and M.-J. Virolle of Université Paris Sud, Orsay). Furthermore, we have combined this ultrasonic approach with infra-red microscopy, to add chemical speciation aimed at identifying the subsurface features, which represents a great advance for volume and chemical characterization of biological samples. The second technique considered is the Scanning Microwave Microscopy, which was developed in collaboration with Keysight society. Similar to acoustic-based microscopy, this non-invasive technique provided physical and chemical characterizations based on the interaction of micro-waves radiations with the matter (with frequency ranging from 0.2 and 16 GHz). Particularly, for metallic samples we performed volumetric characterization based on the skin effect of the materials. On the other hand, we have used this technique to analyze the diffusion of light chemical elements in metals and measured the effect of changes in mechanical properties of materials on their conductivity.Overall, these results constitute a new line of research involving non-destructive subsurface high resolution analysis by means of the AFM of great potential for several fields of research.

La matrice extracellulaire (MEC) subit plusieurs modifications au cours du vieillissement, ce qui altère ses propriétés biomécaniques. Les cellules responsables de la régénération de la portion myogénique du muscle sont les cellules satellites, qui, une fois activées, sont appelées les cellules progénitrices myogéniques (CPM). La rigidité du muscle, influence le devenir des CPM. La capacité régénérative du muscle squelettique diminue lors du vieillissement. Nous avons posé l’hypothèse selon laquelle la rigidité observée dans le tissu âgé pourrait nuire à la capacité régénérative des CPM. Nous avons tout d’abord validé les modifications subies par la MEC suite au vieillissement en les comparant au tissu adulte. Les résultats montrent une augmentation de la quantité de collagènes et de réticulation non enzymatique. En plus, une augmentation de la rigidité du muscle et des fibres individualisées a été observée par microscopie à force atomique (AFM). L’équipe s’est ensuite intéressée à leur activité myogénique dans un modèle de fibres musculaires en culture (ex vivo). Nous avons observé une diminution du nombre de cellules myogéniques sur les fibres de tissus âgés, comparativement aux tissus adultes. Nous avons montré que les proportions de cellules quiescentes sont plus élevées sur des fibres adultes suite à l’isolement et que les proportions de cellules prolifératives et en voie de différenciation sont plus élevées sur les fibres âgées. De plus, sur des fibres endommagées gardées en culture six jours, nous avons observé que les proportions de cellules prolifératives sont plus élevées sur les fibres adultes et que celles des cellules en voie de différenciation sont plus élevées sur les fibres âgées. Enfin, nous avons observé l’activité myogénique des CPM ainsi que l’impact de la rigidité en culture (in vitro). Nous n’avons observé aucune différence des capacités de prolifération et de différenciation des myoblastes adultes et âgés. En terminant, nos recherches ont montré qu’une rigidité de 2.0 kPa favorise un état prolifératif tandis qu’une rigidité de 18 kPa stimule plutôt l’engagement vers la différenciation. Ces résultats suggèrent que la rigidité peut être une cause de la diminution du potentiel régénératif du muscle vieillissant. En résumé, ces travaux soulignent l’importance de l’augmentation de la rigidité du microenvironnement sur les CPM comme cause de la diminution du potentiel de régénération du muscle vieillissant.

Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié la formation de nanogaps par électromigration dans des nanofils d'or. Cette technique consiste à provoquer la rupture d'un nanofil en lui appliquant de fortes densités de courant et peut être utilisée pour la caractérisation électrique de nano-objets. Néanmoins, les mécanismes de formation des nanogaps ne sont, à ce jour, pas encore totalement compris. L'étude en temps réel du processus d'électromigration par microscopie à force atomique a permis d'apporter un éclairage nouveau de la dynamique du processus. En effet, il apparaît que la structure globale du dispositif est définie dans les premiers temps de l'électromigration et nous avons montré que cette structure est directement liée à la microstructure du film métallique. Pour la première fois, des nanogaps ont été élaborés par électromigration dans des films monocristallins. Malgré l'absence de joints de grain, il est possible de former des nanogaps dans un matériau épitaxié. L'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des nanogaps avec une morphologie plus reproductible. Les propriétés de transports des nanogaps obtenus à partir de films polycristallins ont été caractérisées. Les caractéristiques obtenues présentent toutes des signatures particulières, attribuées à la présence d'agrégats d'or provenant de la procédure d'électromigration et/ou de polymères issus du procédé de nanofabrication. Ces résultats montrent la difficulté à réaliser des mesures à l'échelle de la molécule unique / We have studied the formation of nanogaps by électromigration of gold nanowires. Electromigration relies on large current densities to break a thin and narrow metallic wire and can be used for the electrical characterization of nanometer scale objects. Nevertheless, a complete description of the electromigration process is lacking. Real time atomic force microscopy during the electromigration process gave a new view the dynamic of the process. Indeed, this study reveals that the major structural changes appear at the early stage of the process and that the final global structure of the device is directly linked to the pre-existing microstructure. For the first time, we make nanogaps by électromigration of monocrystalline nanowires. We show that despite the lacking of grain boundaries, it is possible to form nanogaps in epitaxial materials. The morphology of those nanogaps is more reproducible. The electrical transport properties of the polycristalline nanogaps have been measured. The entire obtained characteristics show particular signature that can be attributed to the presence of gold cluster formed during the électromigration process and / or to polymer from the nanowire fabrication. These results show the difficulty to measure at the molecular scale

L'étude de la dynamique interfaciale des liquides à l'échelle du nanomètre est cruciale pour la compréhension de nombreux phénomènes biologiques et industriels. Pour aborder cette question, nous étudions l'interaction en champ proche d'une sonde et de liquides peu visqueux. La thèse s'articule autour de deux grands axes : le premier s'intéresse à la déformation de l'interface liquide lorsqu'une pointe est approchée et à l'instabilité hydrodynamique du "jump-to-contact" qui en résulte. Le second, plus intrusif, décrit la réponse hydrodynamique d'un liquide soumis à l'oscillation d'un nanocylindre (R ~ 20-100 nm) partiellement immergé. Les mesures sont réalisées par microscope à force atomique (AFM), en mode modulation de fréquence (FM), qui permet de mesurer la force exercée sur la sonde ainsi que les composantes conservatives et dissipatives de l'interaction pointe-liquide. Une première série de mesure est réalisée sur différents liquides modèles avec un AFM couplé à une caméra rapide via un microscope optique inversé. Avant le mouillage de la sonde, les courbes de spectroscopie de force et FM mettent en évidence la déformation de l'interface liquide sur des échelles nanométriques, pour une grande gamme de tailles de sonde (de 10 nm à 30 µm). L'analyse des mesures expérimentales avec le modèle théorique récemment développé par René Ledesma-Alonso permet de déterminer la distance critique dmin en dessous de laquelle l'interface se déstabilise et mouille irréversiblement la pointe ("jump-to-contact"). Un excellent accord est trouvé entre le modèle théorique et les mesures FM. La deuxième série de mesure s'intéresse à l'immersion partielle de pointes AFM cylindriques. Les courbes de spectroscopie FM montrent qu'une certaine quantité de liquide, située dans la couche visqueuse, est entraînée par l'oscillation de la pointe. On mesure simultanément la friction exercée sur la pointe et la masse de liquide ajoutée au système, qui est directement reliée à l'extension du champ de vitesse. Un modèle analytique basé sur la résolution de l'équation de Stokes rend compte quantitativement de l'ensemble des résultats expérimentaux. La dernière série de mesure est réalisée avec des sondes cylindriques spécialement conçues pour l'étude de la dynamique de nanoménisques. Ces sondes comportent des défauts topographiques annulaires dont l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Les mesures montrent une divergence du coefficient de friction aux petits angles de contact qui est bien reproduite par un modèle théorique basé sur l'approximation de lubrification. La localisation de la dissipation d'énergie au voisinage de la ligne de contact et les propriétés d'ancrage du ménisque sont également discutées. Les expériences originales développées dans cette thèse démontrent ainsi la capacité de l'AFM à étudier quantitativement les liquides à l'échelle nanométrique et ouvrent la voie à une étude systématique des processus de dissipation au sein de liquides confinés, et notamment au voisinage d'une ligne de contact en mouvement. / The study of the interfacial dynamics of liquids, down to the nanometer-scale, is of primary importance in many domains including biological and industrial phenomena. To address those questions, we study the near-field interaction between a probe and low viscous liquids. The present thesis focuses on two aspects. In the first one, we investigate the liquid interface deformation that occurs when a tip is approached and the resulting "jump-to-contact" hydrodynamic instability. The second part is more intrusive as it describes the hydrodynamic response of a liquid under the oscillation of a partly-immerse nanocylinder (R ~20-100 nm). Our measurements are performed with an Atomic Force Microscope (AFM) in the frequency modulation (FM) mode, which allows to measure the force exerted on the probe along with the conservative and dissipative components of the tip-liquid interaction. A first set of measurements is performed on several model liquids with an AFM coupled with a high-speed camera via an inverse optical microscope. Before the probe wetting, the force and FM spectroscopy curves highlight the liquid interface deformation on nanometer scales for a large range of probe size (from 10 nm to 30 µm). The fitting of our experimental measurements with the theoretical model recently developed by René Ledesma-Alonso, enables to determinate the critical distance dmin below which the interface is destabilized and irreversibly wets the tip (jump-to-contact). The theoretical model and the FM measurements were found to be in good agreement. The second set of measurements focuses on the partial immersion of cylindrical AFM tips. The FM spectroscopy curves show that a certain quantity of liquid, located in the viscous layer, is carried off with the tip oscillation. The friction exerted on the tip and the liquid mass added to the system, which is directly linked to the velocity-field extension, were measured simultaneously. An analytical model based on the Stokes equation quantitatively reproduces our experimental results. The last set of measurements is performed with cylindrical probes specially designed for the study of nanomeniscus dynamics. Those probes possess annular topographic defects, whose thickness varies between 10 nm and 50 nm. The measurements show that he measured friction coefficient surges as the contact angle is decreased. This behavior is well described by a developed theoretical model based on the lubrication approximation. Furthermore, the dissipation pattern in the vicinity of the contact line and the anchoring properties are also discussed. The original experiments developed in this thesis demonstrate thus that AFM is a relevant tool for the quantitative study of liquids at the nanoscale. This work paves the way for systematic studies of dissipation processes in confined liquids, and in particular in the vicinity of moving contact lines.

Les matériaux BGaAs et BInGaAs ont été élaborés par EPVOM sur GaAs. Ces matériaux sont proposés comme voie possible pour l'émission à 1,3 μm sur substrats de GaAs. Les précurseurs utilisés pour la croissance de ces matériaux sont le diborane, le triéthylgallium, l'arsine et le triméthylindium. L'incorporation et la solubilité du bore ont été étudiées en fonction des paramètres de croissance. Le mode de croissance des couches de B(In)GaAs a été exploré par microscopie à force atomique. L'épitaxie de puits quantiques de BInGaAs/GaAs a également été réalisée. Les propriétés optiques de ces puits ont été caractérisées par photoluminescence (PL). L'incorporation de bore dégrade fortement l'intensité de PL du matériau. L'émission de PL à basse température pourrait être attribuée à la recombinaison d'excitons localisés piégés dans des puits de potentiel. A plus haute température, elle est dominée par la transition E1H1 du puits.

L'étude de l'endommagement induit par les ions lourds dans le volume des isolants, nous a permis de classer les isolants en deux catégories : les matériaux amorphisables et les matériaux non amorphisables. Les résultats expérimentaux des matériaux non amorphisables posent plusieurs questions concernant l'origine défauts surfacique ainsi que la sensibilité des techniques de caractérisations utilisées. Notre étude concerne l'apparition des défauts créés à la surface, proche de la surface et dans le volume de trois isolants d'amorphisabilité différente : Y3Fe5O12, CaF2 et Al2O3. Pour cela trois techniques de caractérisations ont été utilisées : la profilométrie de surface, la rétro-diffusion Rutherford en canalisation et la microscopie à force atomique. Nos résultats montrent que la réponse de la surface est une conséquence de ce qui se produit dans le volume. De plus la sensibilité des matériaux non amorphisables aux ions lourds est identique à celle des matériaux amorphisables.