L’alimentation en énergie des réseaux de capteurs miniaturisés pose une question fondamentale, dans la mesure où leur autonomie est un critère de qualité de plus en plus important pour l’utilisateur. C’est même une question cruciale lorsque ces réseaux visent à assurer une surveillance d’infrastructure (avionique, machines, bâtiments…) ou une surveillance médicale ou environnementale. Les matériaux piézoélectriques permettent d’exploiter l’énergie mécanique inutilisée présente en abondance dans l’environnement (vibrations, déformations liées à des mouvements ou à des flux d’air…). Ils peuvent ainsi contribuer à rendre ces capteurs autonomes en énergie. Sous la forme de nanofils (NF), les matériaux piézoélectriques offrent une sensibilité qui permet d’exploiter des sollicitations mécaniques très faibles. Ils sont également intégrables, éventuellement sur substrat souple.Dans cette thèse nous nous intéressons au potentiel des nanofils de matériaux semi-conducteurs piézoélectriques, tels que ZnO ou les composés III-V, pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Depuis peu, ceux-ci ont fait l’objet d’études relativement nombreuses, avec la réalisation de nanogénérateurs (NG) prometteurs. De nombreuses questions subsistent toutefois avec, par exemple, des contradictions notables entre prédictions théoriques et observations expérimentales.Notre objectif est d’approfondir la compréhension des mécanismes physiques qui définissent la réponse piézoélectrique des NF semi-conducteurs et des NG associés. Le travail expérimental s’appuie sur la fabrication de générateurs de type VING (Vertical Integrated Nano Generators) et sur leur caractérisation. Pour cela, un système de caractérisation électromécanique a été construit pour évaluer les performances des NG réalisés et les effets thermiques sous une force compressive contrôlée. Le module d’Young et les coefficients piézoélectriques effectifs de NF de GaN; GaAs et ZnO et de NF à structure cœur/coquille à base de ZnO ont été évalués également dans un microscope à force atomique (AFM). Les nanofils de ZnO sont obtenus par croissance chimique en milieu liquide sur des substrats rigides (Si) ou flexibles (inox) puis sont intégrés pour former un générateur. La conception du dispositif VING s’est appuyée sur des simulations négligeant l’influence des porteurs libres, comme dans la plupart des études publiées. Nous avons ensuite approfondi le travail théorique en simulant le couplage complet entre les effets mécaniques, piézoélectriques et semi-conducteurs, et en tenant compte cette fois des porteurs libres. La prise en compte du piégeage du niveau de Fermi en surface nous permet de réconcilier observations théoriques et expérimentales. Nous proposons notamment une explication au fait que des effets de taille apparaissent expérimentalement pour des diamètres au moins 10 fois plus grands que les valeurs prévues par simulation ab-initio ou au fait que la réponse du VING est dissymétrique selon que le substrat sur lequel il est intégré est en flexion convexe ou concave. / Energy autonomy in small sensors networks is one of the key quality parameter for end-users. It’s even critical when addressing applications in structures health monitoring (avionics, machines, building…), or in medical or environmental monitoring applications. Piezoelectric materials make it possible to exploit the otherwise wasted mechanical energy which is abundant in our environment (e. g. from vibrations, deformations related to movements or air fluxes). Thus, they can contribute to the energy autonomy of those small sensors. In the form of nanowires (NWs), piezoelectric materials offer a high sensibility allowing very small mechanical deformations to be exploited. They are also easy to integrate, even on flexible substrates.In this PhD thesis, we studied the potential of semiconducting piezoelectric NWs, of ZnO or III-V compounds, for the conversion from mechanical to electrical energy. An increasing number of publications have recently bloomed about these nanostructures and promising nanogenerators (NGs) have been reported. However, many questions are still open with, for instance, contradictions that remain between theoretical predictions and experimental observations.Our objective is to better understand the physical mechanisms which rule the piezoelectric response of semiconducting NWs and of the associated NGs. The experimental work was based on the fabrication of VING (Vertical Integrated Nano Generators) devices and their characterization. An electromechanical characterization set-up was built to evaluate the performance and thermal effects of the fabricated NGs under controlled compressive forces. Atomic Force Microscopy (AFM) was also used to evaluate the Young modulus and the effective piezoelectric coefficients of GaN, GaAs and ZnO NWs, as well as of ZnO-based core/shell NWs. Among them, ZnO NWs were grown using chemical bath deposition over rigid (Si) or flexible (stainless steel) substrates and further integrated to build VING piezoelectric generators. The VING design was based on simulations which neglected the effect of free carriers, as done in most publications to date. This theoretical work was further improved by considering the complete coupling between mechanical, piezoelectric and semiconducting effects, including free carriers. By taking into account the surface Fermi level pinning, we were able to reconcile theoretical and experimental observations. In particular, we propose an explanation to the fact that size effects are experimentally observed for NWs with diameters 10 times higher than expected from ab-initio simulations, or the fact that VING response is non-symmetrical according to whether the substrate on which it is integrated is actuated with a convex or concave bending.

La coalescence intervient dans de nombreuses situations physiques, naturelles ou industrielles, de la microphysique des nuages à la stabilité des émulsions ou l’assèchement des pétroles. Dans toutes ces situations, il est crucial de comprendre les mécanismes physiques en jeu, de manière pouvoir influencer la coalescence, la favoriser ou au contraire l’inhiber, selon les besoins. Dans cette thèse, nous étudions la coalescence dans l’air entre deux gouttes attachées et décomposons le processus global en quatre étapes : l’approche avec drainage du film d’air entre les gouttes, le perçage des interfaces, l’ouverture du pont résultant de ce perçage, les oscillations amorties conduisant à l’équilibre de la goutte résultante. Les théories décrivant les étapes 1, 2 et 4 font intervenir des modèles hydrodynamiques continus, se plaçant à une échelle macroscopique. Cependant, à l’articulation entre les deux premières étapes, intervient le perçage des interfaces, processus gouverné par des forces dont la portée correspond à une échelle de quelques dizaines de nanomètres. Une des difficultés les plus importantes dans l’étude de la coalescence est celle de l’intégration des processus ayant lieu à un niveau moléculaire, dans une théorie du continuum dont l’échelle caractéristique est bien supérieure. L’objectif est de faire le lien entre les différentes échelles : y a-t-il des interactions entre les processus se produisant à ces différentes échelles ? Pour répondre à cette question, nous développons trois axes de travail, engageant chacun une échelle caractéristique. L’un est l’étude, au niveau macroscopique du micromètre, de l’ouverture du pont liquide. Grâce à une caméra rapide, plusieurs régimes d’écoulement sont mis en évidence. Les modèles théoriques existants concernent essentiellement le régime visqueux, et aucun modèle complet ne décrit le régime purement inertiel. Nous explorons expérimentalement ce régime et décrivons la forme et la longueur du pont, à l’aide d’ondes capillaires. Nous mettons en évidence l’existence de deux lignes de très forte courbure, que nous appelons singularités, qui naissent sur le lieu de perçage des interfaces et se propagent presque sans déformation de part et d’autre. Ces singularités, conditionnées par la tension superficielle, moteur de la coalescence, façonnent la forme du pont liquide et donc l’écoulement dans ce dernier. Nous proposons un modèle simple d’écoulement inertiel, basé sur la forme du pont liée à ces singularités. Ce modèle permet de mieux comprendre les rôles des forces hydrodynamiques et de la courbure dans l’évolution temporelle de la largeur du pont. Un autre axe est une étude expérimentale par Microscope à Force Atomique, qui permet de décrire les forces responsables de la coalescence à l’échelle nanométrique, les déformations des gouttes intervenant à cette échelle et leur rôle dans la rupture des interfaces. Les mesures de forces entre goutte et flaque, puis entre deux gouttes sont effectuées avec un AFM principalement en mode dynamique de Modulation de Fréquence. Elles permettent de mettre en évidence une distance seuil de déclenchement de l’instabilité hydrodynamique responsable de la coalescence et de mesurer cette distance en fonction des propriétés physiques du liquide et du rayon des gouttes. Un diagramme de coalescence est proposé, qui permet de prévoir la valeur de la distance de déclenchement de la coalescence et le rôle des déformations d’interfaces à l’échelle nanométrique. Enfin, les oscillations du pont liquide, générées par la coalescence, sont étudiées, les modes et fréquences propres sont calculés numériquement par la méthode des éléments finis, puis comparés aux valeurs expérimentales mesurées à partir des films acquis par caméra rapide. / Coalescence is involved in numerous natural or man-made processes, from microphysics of clouds to emulsions stability, or water-crude oil separation processes. In these situations, it is crucial to understand the physics of coalescence of drops or bubbles, in order to influence the phenomenon, to enhance or inhibit the coalescence rate, depending on the needs. In this thesis, we study coalescence in air of two attached drops. We separate the coalescence process into four stages : the approach and drainage of the film between coalescing bodies, the interfaces breaking, the opening of the bridge resulting from this breaking, and the damped oscillations, generated by coalescence, leading to the equilibrium state of the resulting drop. The theoretical description of the stages 1, 2 and 4 are based on continuous hydrodynamic models, at a macroscopic scale. However, the transition between the first two stages is the interfaces break-up, controlled by short range interactions, at a nanometer scale. One of the most difficult issues is the integration of these nanoscale processes into a continuum hydrodynamic theory which length scale is much bigger. The purpose of this work is understand how the phenomenons occurring at the different scales are linked. We first study, at a macroscopic scale, the opening of the liquid bridge between the drops. Thanks to the experimental set-up, involving a high-speed camera, we explore different regimes of flow, by studying the shape and dimensions of the bridge. The existing hydrodynamic models mostly describe the viscous regime, and there exist no complete modeling of the inertial regime. We explore specifically this regime. The bridge shape is described by the mean of capillary waves. We focus on two lines of extremely high curvature on the free surface, that we call singularities, generated in the initial site of interfaces break-up, and propagating merely without deformation towards the extremities of the drops. We propose a model of inertial flow in the opening bridge, whose shape is linked to these "singularities", due to surface tension. This model allows to have a better understanding of the contribution of the hydrodynamic forces and surface tension regarding the time evolution of the length and radius of the bridge. The second area of investigation is a study at a nanometer scale. Atomic Force Microscopy (AFM) is used to measure van der Waals forces between the coalescing bodies and the nanoscale deformations leading to coalescence. We perform force measurements with an AFM, essentially in the Frequency Modulation Mode. Studying the interaction, first between a droplet and a bulk, then between two droplets, we measure the threshold distance below which the coalescence occurs, varying the physical properties of liquids and the drops radius. A coalescence diagram can be built, allowing to predict the threshold distance of coalescence and the part played by the nanoscale deformations in the process. The third point is the study of the weakly damped oscillations of the whole body, induced y coalescence. The eigen frequencies and modes are calculated using the finite elements method, and compared to the experimental results, measured by the mean of the high speed camera.

Le carbure de silicium est un semiconducteur prometteur pour les applications en électronique de température et de haute puissance. La croissance de SiC a été améliorée continuellement pendant les derniers années mais la connaissance des processus à la surface pendant la croissance est encore faible. Dans cette thèse ces processus sont étudiés par l’analyse de la croissance initiale de cristaux non désorientés. Le processus qui limite la vitesse de croissance est déterminé. L’étude des germes observés occasionnellement permet d’avoir un aperçu des barrières Ehrlich-Schwoebel existantes et, de plus, d’estimer l’ordre de grandeur de la longueur de diffusion à la surface. Pour la première fois les lois de croissance de spirales sont systématiquement analysées sur la face silicium et la face carbone du SiC. L’influence d’un domaine limité et du chevauchement de champs de diffusion sur la forme des spirales et les lois de croissance sont analysées par des simulations. Sur les spirales de la face carbone, une nouvelle structure de marches est observée. La bicouche supérieure se dissocie à certaines conditions définies et reproductibles. Les conditions expérimentales sont clairement identifiées et une analyse de cette nouvelle structure est effectuée. / Silicon carbide is a promising semiconductor for high temperature and power electronics. Its growth process has been refined continuously in the last years but there is still little knowledge on the surface processes taking place during growth. This thesis is dealing with these processes by analysing the initial growth of on-axis crystals. The growth rate limiting step of the physical vapour transport technique is determined. The study of nuclei occasionally observed gives insight on the present Ehrlich-Schwoebel barriers and allows furthermore to estimate the order of magnitude of the surface diffusion length. For the first time the growth laws of spirals on both Si- and C- face SiC surfaces are systematically analysed. Simulations are performed in order to check the influence of a limited domain size and overlapping diffusion fields on the spiral shapes and growth laws. A novel spiral step structure is observed on C-face spirals. The top bilayer dissociates under certain and reproducible conditions. The experimental parameters are reported and further analysis of this new step structure is performed.

Dans ce travail de thèse, le microscope à force atomique (AFM) a été utilisé comme outil de manipulation de haute précision pour construire des nanostructures plasmoniques avec des géométries définies et un réglage précis de la distance interparticulaire et également comme technique de spectroscopie d'absorption. Différentes études concernant les phénomènes pertinents pour la manipulation des nanoparticules et émergeant à l'interface substrat-nanoparticules, ont été réalisées. Des expériences de frottement menées sur diverses surfaces d'oxydes ont révélé un nouveau mécanisme de frottement à l’échelle nanométrique, expliqué par un modèle de potentiel d'interaction de type Lennard-Jones modifié. Les propriétés de frottement et d'adhésion de CTAB adsorbé sur silice sont également présentées. Des nano-bâtonnets d'or fonctionnalisés par du CTAB ont été manipulés par AFM afin de construire des nanostructures plasmoniques. La dernière partie de la thèse présente les efforts expérimentaux et théoriques pour démontrer la faisabilité de l'utilisation d'un AFM comme une technique de spectroscopie optoélectronique à base de force. / In this thesis work the atomic force microscope (AFM) was employed first as a high precision manipulation tool for building plasmonic nanostructures with defined geometries and precise tuning of interparticle distance and second as an absorption spectroscopy technique. Different studies regarding phenomena emerging at sample nanoparticle interface relevant for nanoparticle manipulation were performed. Friction experiments conducted on various oxide surfaces revealed a novel nanoscale stick slip friction mechanism, explained by a modified Lennard-Jones-like interaction potential model. Frictional and adhesion properties of CTAB adsorbed on silica are also reported. CTAB functionalized gold nanorods were used for building specific plasmonic particulate nanostructures. The final part of the thesis presents experimental and theoretical efforts to demonstrate the feasibility of using an AFM as a force-based optoelectronic spectroscopy technique.

Les liquides ioniques et le graphène sont intensivement étudiés, respectivement en tant qu’électrolyte et électrode, pour le développement des supercondensateurs. Dans ce cadre, il est primordial de caractériser l’interface entre les deux espèces. Pour ce faire, nous avons réalisé ce type d’interface par la procédure des films de Langmuir que nous avons observés à différentes échelles via des mesures d’isothermes, de microscopies à angle de Brewster et à force atomique ainsi que par diffusion des rayons X de surface. Nous avons étudié des films formés par des liquides ioniques, de l’oxyde de graphène et enfin d’un mélange de ces deux espèces. L’étude sur les liquides ioniques purs montre que le cation joue un rôle non négligeable sur l’organisation des films à l’interface air-eau, aussi bien en monocouche que lors du passage en phase tridimensionnelle. Par ailleurs, nous avons montré que les films d’oxyde de graphène forment spontanément une bicouche de feuillets à l’interface eau-air même pour de faibles densités superficielles. Enfin concernant les films mixtes, nous avons observé une ségrégation verticale des espèces quand la pression de surface devient suffisamment élevée. Le film est alors composé d’une première couche en contact avec l'eau, majoritairement composée de feuillets d’oxyde de graphène parallèles à l’interface, sur laquelle se superpose une seconde couche formée des domaines de liquide ionique désorganisé. / Graphene and ionic liquids are intensively studied, respectively as electrolyte and as electrode materials, for the development of supercapacitors. In this framework, the characterization between the two species is essential. We realized such kind of interfaces through the Langmuir film procedure and characterized them at different scales, using isotherm measurements, Brewster Angle and Atomic Force Microscopies, and surface X-ray scattering. We studied films formed by different ionic liquids, by graphene oxide and finally by a mixture of the two species. The study on the pure ionic liquids evidences the role of the cation on the film organization at the air-water interface, for the monolayer as well as for the tridimensional phase. Moreover, we showed that the graphene oxide films are composed of a bilayer of sheets à the interface, even at low surface densities. Finally, regarding the mixed film, we observed a vertical segregation of the species for high enough surface pressures. The film is formed by a first layer in contact with the water surface, mostly composed of graphene oxide sheets parallel to the interface, on which a second layer is superimposed, composed of disorganized ionic liquid domains.

L’importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l’industrie du bâtiment, dont l’origine n’est pas encore établie. Afin d’en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L’évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d’appui de la pointe de l’AFM ainsi que des additifs utilisés. L’étude de l’influence de la force d’appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (> 15 nN) on observe un mécanisme d’usure de la surface, tandis qu’à faibles forces (< 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L’évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte. / The huge enhancement of the creep of plasterboard by humid environments is an old problem in the building industry, but its origin remains unknown. To understand this mechanism a three scales study (macro : mechanical behavior, micro : dissolution kinetics, nano : atomic observation) has been done. There is a strong correlation between wet plaster creep and gypsum dissolution kinetics. The concordance between this correlation and the law of deformation by pressure solution, well-known in geology, permits to propose pressure solution as one of the mechanisms responsible of wet plaster creep. The topological evolution of the cleaved surface of a gypsum single crystal during its dissolution in a flowing under-saturated aqueous solution has been observed with an atomic force microscope. The kinetics of step migration strongly depends on the saturation state of the solution, the force applied by the tip on the surface, as well as the used additives. The study of the influence of the force applied by the tip on the step velocity evidence two different dissolution enhancement regimes. At high forces (> 15 nN) a corrosive wear behavior is observed, while at low forces (< 10 nN) pressure solution is the observed mechanism. The step velocity evolution with the force obeys the known kinetic law of pressure solution.

Les virus sont des parasites biologiques de taille nanométrique. Détournant la machinerie cellulaire de la cellule infectée, ils mettent en place une stratégie de réplication permettant la production de nouveaux virus. Un virus est constitué d’une capside protéique protégeant le génome viral, long polymère d’ADN ou ARN, et possède dans certains cas une enveloppe lipidique. Des travaux récents suggèrent que les propriétés physiques des virus sont importantes pour comprendre certaines étapes du cycle viral. Dans le but de relier le comportement biologique des virus à leurs propriétés physiques, nous avons utilisé une approche combinant l’imagerie AFM et des mesures mécaniques à l’échelle nanométrique, en lien avec la modélisation physique des capsides virales. Nous avons développé des outils d’analyse automatisée des images et courbes de forces obtenues pour quantifier les propriétés physiques de capsides virales et l’effet du microenvironnement. Nous avons étudié deux virus très différents : le rétrovirus VIH-1, responsable du SIDA et le vecteur AAV, utilisé en thérapie génique. Ce travail a permis la caractérisation des propriétés morphologiques et mécaniques de pseudo-particules virales et de cores du VIH-1, à l’échelle du virus unique et sur des populations de centaines de virus. En nous intéressant à l’effet de la nature de l’ARN encapsidé dans les particules virales in cellulo, nous avons montré un rôle structurant pour l’ARN viral du VIH-1 et en particulier son signal d’encapsidation psi. Enfin, nous avons initié l’étude de l’effet de la retro-transcription (conversion du génome viral ARN en ADN) au sein du core VIH-1 sur la stabilité de celui-ci. L’étude du parvovirus AAV existant sous forme de plusieurs variants naturels (sérotypes) nous a permis de comparer les propriétés physiques des capsides à l’équilibre thermodynamique et hors d’équilibre. En faisant varier le microenvironnement (température et pH), nous avons sondé son influence sur la stabilité des capsides AAV. Nous avons pu montrer en particulier que la capside AAV8 est plus rigide que AAV9 alors que sa stabilité thermique est réduite, en relation avec des propriétés biologiques différentes pour ces deux sérotypes. En outre, la rigidité des capsides AAV8 diminue dans un environnement acide imitant l’endosome tardif, et ceci se traduit par une plus grande stabilité thermique. Enfin, nous avons quantifié l’effet de la longueur et de la nature du génome sur la stabilité des capsides AAV. / Viruses are nanometer size biological parasite, which highjack the cellular machinery of the infected cells to replicate and thereby produce new viruses. A virus consists of a protein capsid, protecting the viral genome, a long polymer of DNA or RNA, and in some cases is surrounded by a lipid envelope. Recent work suggests that the physical properties of viruses are important in order to understand the viral cycle. In order to link the biological behavior of the virus to their physical properties, we used an approach combining AFM imaging and mechanical measurements at the nanometer scale, in connection with the physical modeling of viral capsids. We have developed automated image and force curves analysis tools to quantify the physical properties of viral capsids and the effect of the microenvironment. We have focused on two very different viruses: the HIV-1 retrovirus, responsible for AIDS and the AAV vector used in gene therapy. This work has led to the characterization of the morphological and mechanical properties of virus-like particles and cores of HIV-1 at the single virus level and on populations of hundreds of viruses. Focusing on the effect of the nature of the RNA encapsidated inside the viral particles in cellulo, we have highlighted the structural control of the viral RNA, and more precisely the psi packaging signal, on both HIV-1 VLPs and cores. Finally, we have initiated the study of the effect of reverse transcription (conversion of viral genomic RNA into DNA) within the cores HIV-1 on its stability. The study of parvovirus AAV existing form of several natural variants (serotypes) allowed us to compare the capsid physical properties at thermodynamic equilibrium and out of equilibrium. By varying the microenvironment (temperature and pH), we probed its influence on the stability of the AAV capsid. We have shown in particular that the AAV8 virus is stiffer than AAV9 while thermal stability is reduced, in relation to different biological properties for these two serotypes. In addition, the rigidity of AAV8 capsids decreases in an acidic environment mimicking the late endosome transport, and this results in a higher thermal stability. Finally, we quantified the effect of the length and nature of the confined genome on the thermal stability of AAV capsids.

Le premier chapitre de cette thèse traite de l'importance des échelles temporelles et spatiales dans le contexte des systèmes vivants. J'y décris également les principaux composants de la réponse mécanique des cellules vivantes. Après ce chapitre introductif, le deuxième chapitre est dédié à la réponse mécanique des cellules évaluée avec l'AFM et en particulier, son aspect dynamique. Je présente d'abord l'analyse des courbes force-indentation, puis je propose une méthode alternative pour l'étude de la rhéologie cellulaire qui est basée sur l'excitation multifréquence du levier par bruit thermique. La DPM est l'objet du troisième chapitre où je revisite la méthode d'extraction de phase en utilisant la transformation en ondelette à deux dimensions. Ensuite je montre comment la DPM peut être utilisée pour caractériser les fluctuations temporelles et la morphologie de différents types de cellules du sang et de cellules adhérentes. Finalement, le chapitre quatre est un chapitre de conclusion où je fais une synthèse des résultats obtenus. Par exemple, je montre que, en comparaison avec des cellules saines, les cellules leucémiques subissent des changements morphologiques qui sont accompagnés par un comportement mécanique plus rigide et plus élastique. Cela indique que dans cet exemple la transformation cellulaire n'est pas seulement donnée par son cortex mais aussi par son cytosquelette et son couplage avec le noyau / In the first chapter of this thesis I discuss the importance of spatial and temporal scales in living systems, and I review the main components involved in the mechanical response of living cells. After this introductory chapter, the second one is dedicated to evaluating the mechanical response of single-cells with AFM, and in particular, its dynamical aspect. I present the analysis of force-indentation curves without any assumption on the linearity of the system, contrary to more typical analysis based on Sneddon’s or Hertz models. Then, I propose an alternative method to study the cell rheology based on the multi-frequency excitation of the cantilever by thermal noise. DPM is discussed on chapter three. I revisit the phase recovery method using the 2D wavelet transform, and I show how DPM can be used to characterize the temporal fluctuations and the morphology of different types of blood cells and adherent cells. Finally, chapter four is a conclusion chapter where I summarise our results by comparing healthy and pathological immature blood cells. For instance I show that, in comparison to healthy cells, leukaemic cells undergo morphological changes that are accompanied by a stiffer and more elastic behaviour. Altogether, our results indicate that this cell transformation involves the whole cytoskeleton and its coupling to the nucleus rather than simply the cell cortex

Cette thèse interdisciplinaire a été dédiée à la caractérisation des propriétés mécaniques de myoblastes (murins et humains) et de myotubes (murins) à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). En modifiant ou en inhibant la dynamique du cytosquelette (CSK) d’actine de ces cellules, nous avons pu montrer que ces propriétés mécaniques variaient. L’enregistrement de courbes de force indentation nous a permis de montrer que la présence de cellules adhérentes introduisait sur les leviers d’AFM un amortissement visqueux supplémentaire à celui d’une paroi solide, et que cet amortissement visqueux dépendait de sa vitesse d’approche et que celui-ci restait non négligeable pour les plus faibles vitesses (1μm/s). Nous avons observé que les propriétés mécaniques des précurseurs de muscles devenaient non linéaires (comportement plastiques) pour des grandes déformations (>1μm) et qu’elles dépendaient de l’état, du type de cellule et de leur environnement. En combinant des expériences d’AFM, des modèles visco-élastiques et des méthodes d'analyse multi-échelle basées sur la transformation en ondelettes, nous avons illustré la variabilité des réponses mécaniques de ces cellules (de visco-élastiques à visco-plastiques). À l'aide de courbes de force-indentation, de l’imagerie morpho-structurale (DIC, microscopie à fluorescence) et de traitements pharmacologiques, nous avons éclairé le rôle essentiel des processus actifs (dépendants de l’ATP) dans la mécanique de myoblastes, en discutant tout particulièrement ceux des moteurs moléculaires (myosine II) couplés aux filaments d’actine. En particulier, nous avons montré que les fibres de stress du cytosquelette d’actine situées autour du noyau pouvaient présenter des évènements de remodelage soudains (ruptures) et que ces ruptures étaient une mesure indirecte de l’aptitude de ces cellules à tendre leur CSK. Nous avons enfin montré qu’il était possible de généraliser cette approche à des cas cliniques humains, en l’occurrence des myoblastes primaires de porteurs sains et de patients atteints de dystrophie musculaire de Duchenne, ouvrant la voie à des études plus larges sur d’autres types cellulaires et pathologies. / This interdisciplinary thesis was dedicated to the atomic force microscopy (AFM) characterization of the mechanical properties of myoblasts (murine and human) and myotubes (murine). We reported that the mechanical properties of these cells were modified when their actin cytoskeleton (CSK) dynamics was inhibited or altered. Recording single AFM force indentation curves, we showed that adherent layers of myoblasts and myotubes introduced on the AFM cantilever an extra hydrodynamic drag as compared to a solid wall. This phenomenon was dependent on the cantilever scan speed and not negligible even at low scan velocities (1μm/s). We observed that the mechanical properties of the muscle precursor cells became non-linear (plastic behaviour) for large local deformations (>1μm) and that they varied depending on the state, type and environment of the cells. Combining AFM experiments, viscoelastic modeling and multi-scale analyzing methods based on the wavelet transform, we illustrated the variability of the mechanical responses of these cells (from viscoelastic to viscoplastic). Through AFM force indentation curves analysis, morpho-structural imaging (DIC, fluorescence microscopy) and pharmacological treatments, we enlightened the important role of active (ATP-dependent) processes in myoblast mechanics, focusing especially on those related to the molecular motors (myosin II) coupled to the actin filaments. In particular, we showed that the perinuclear actin stress fibers could exhibit some abrupt remodelling events (ruptures), which are characteristic of the ability of these cells to tense their CSK. Finally, we showed that this approach can be generalized to some human clinical cases, namely primary human myoblasts from healthy donors and patients affected by Duchenne muscular dystrophy, paving the way for broader studies on different cell types and diseases.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / Nowadays in medicine and biotechnology a wide range of applications involves magnetic micro/nano-object manipulation including remote control of magnetic beads, trapping of drug vectors, magnetic separation of labelled cells and so on. Handling and positioning magnetic particles and elements functionalized with these particles has greatly benefited from advances in microfabrication. Indeed reduction in size of the magnet while maintaining its field strength increases the field gradient. In this context, arrays made of permanent micromagnets are good candidates for magnetic handling devices. They are autonomous, suitable for integration into complex systems and their magnetic action is restricted to the region of interest.In this thesis we have elaborated an original approach based on AFM and MFM for quantitative study of the magnetic force and associated force gradients induced by TMP micromagnet array on an individual magnetic micro/nano-object. For this purpose, we have fabricated smart MFM probes where a single magnetic (sub)micronic sphere was fixed at the tip apex of a non-magnetic probe thanks to a dual beam FIB/SEM machine equipped with a micromanipulator.Scanning Force Microscopy conducted with such probes, the so-called Magnetic Particle Scanning Force Microscopy (MPSFM) was employed for 3D mapping of TMP micromagnets. This procedure involves two main aspects: (i) the quantification of magnetic interaction between micromagnet array and attached microsphere according to the distance between them and (ii) the complementary information about micromagnet array structure. The main advantage of MPSFM is the use of a probe with known magnetization and magnetic volume that in combination with modelling allows interpreting the results ably.We conducted MPSFM on TMP sample with two types of microparticle probes: with superparamagnetic and NdFeB microspheres. The measurements carried out with superparamagnetic microsphere probes reveal attractive forces (up to few tens of nN) while MFM maps obtained with NdFeB microsphere probes reveal attractive and repulsive forces (up to one hundred of nN) for which the nature of interaction is defined by superposition of microsphere and micromagnet array magnetizations. The derived force and its gradient from MFM measurements are in agreement with experiments on microparticle trapping confirming that the strongest magnetic interaction is observed above the TMP sample interfaces, between the areas with opposite magnetization. Thanks to 3D MFM maps, we demonstrated that intensity of magnetic signal decays fast with the distance and depends on micromagnet array and microsphere properties.Besides the magnetic interaction quantification, we obtained new information relevant to TMP sample structure: we observed and quantified the local magnetic roughness and associated fluctuations, in particular in zones of reversed magnetization. The variation of detected signal can reach the same order of magnitude as the signal above the micromagnet interfaces. These results complete the experiments on particle trapping explaining why magnetic microparticles are captured not only above the interfaces, but also inside the zones of reversed magnetization.Quantitative measurements of the force acting on a single (sub)microsphere associated to the modelling approach improve the understanding of processes involved in handling of magnetic objects in microfluidic devices. This could be employed to optimize the parameters of sorting devices and to define the quantity of magnetic nanoparticles required for labelling of biological cells according to their size. More generally these experimental and modelling approaches of magnetic interaction can meet a high interest in all sorts of applications where a well-known and controlled non-contact interaction is required at micro and nano-scale.