De nombreuses études théoriques et expérimentales ont été menées au cours des 30 dernières années afin d'établir le lien entre les propriétés d'interaction des protéines, leurs transitions de phase et leur auto-assemblage. Des avancées significatives ont ainsi été permises grâce à l'application de concepts et méthodes de la physique des polymères et des colloïdes. Ces études ont, pour la majeure partie d'entre elles, été limitées à des protéines d'intérêt médical et à des protéines animales. Ce travail de thèse vise à appliquer ce type d'approche aux protéines végétales afin de mieux comprendre leurs propriétés d'interaction à l'origine de leurs propriétés fonctionnelles au sein des grains et dans les matrices alimentaires. Ce travail a été mené sur un isolat de protéines de réserve du blé composé principalement de la fraction monomérique: les gliadines. Nous avons étudié les transitions de phase des gliadines afin de mieux comprendre leurs propriétés d'interaction d'une part et les structures associées d'autre part. Dans un premier temps, une procédure d'extraction a été développée afin de travailler sur un isolat de composition contrôlée dont les masses moléculaires sont comprises entre 20 kDa et 300 kDa. Le comportement de phase de cet isolat a ensuite été étudié en diminuant la qualité du solvant. Nous avons ainsi déterminé le diagramme de phases (T-Φ), où T est la température et Φv la fraction volumique des gliadines. Cette étude a mis en évidence une séparation de phase de type liquide-liquide dans le système par diminution de la température. Une analyse détaillée de la répartition des protéines au sein des deux phases en fonction de leur masse moléculaire a permis d'identifier une masse moléculaire critique séparant des protéines de comportement de type colloïdal et des protéines de comportement de type polymérique. A partir du diagramme de phase, deux études structurales ont été effectuées. La première a étudié les cinétiques de séparation de phase lors de la diminution de la température pour caractériser la dynamique locale de séparation de phase et identifier les mécanismes qui génèrent les systèmes concentrés. Deux grands types de mécanismes de séparation de phase ont été identifiés : nucléation-croissance et décomposition spinodale. La seconde étude structurale a consisté à établir l'équation d'état pression osmotique vs concentration dans des conditions de bon solvant et à caractériser la structure des dispersions de protéines associée. La relation pression osmotique vs fraction volumique a permis de mettre en évidence l'existence de plusieurs régimes de structuration, associés à des changements de structure secondaire et de propriété rhéologique. La discussion générale permet de mettre en relation les propriétés thermodynamiques déduites de cette approche expérimentale et les changements structuraux observés à différentes échelles. / A substantial body of theoretical and experimental studies has been conducted over the last 30 years to establish the link between protein interaction properties, phase transitions and self-assembly. Both colloidal and polymer physics provide a new framework for understanding the driving force for proteins phase behaviour. Such studies have been limited to health-related proteins and to a few food proteins, mainly animal proteins such as casein, whey proteins. This thesis aims to apply this approach to plant proteins to better understand their interactions properties, at the basis of their functional properties within grains and food matrices. This work was carried out on a wheat storage protein isolate mainly composed of the monomeric fraction: gliadins.The objective of this PhD thesis is to investigate the phase transitions of wheat proteins to develop our knowledge on their interaction properties and the associated structures. We organized our experimental approach in five steps. First, we developed an extraction procedure to work on a protein isolate of controlled composition with molecular weight ranging from 20 to 300 kg mol-1. Then, we investigated the phase behaviour of the protein isolate by decreasing the solvent quality, here the temperature. We determined the T-Φ phase diagram, where T is the temperature and Φv the protein volume fraction, that maps the phase and structural transitions of the proteins. This study showed the existence of a liquid-liquid phase separation in the system upon a temperature decrease. We evidenced two different behaviours among proteins as a function of their MWs and highlighted a critical protein size above which the molecular weight is the key determinant of the protein properties. From the phase diagram, two structural studies were conducted. The first one studied the kinetics of phase separation upon temperature decrease to characterize the local dynamics of phase separation and to identify the mechanisms that generate concentrated systems. Two main mechanisms of phase separation have been identified: nucleation-growth and spinodal decomposition. The second one studied the effect of protein concentration on the multi-scale structure of wheat gliadins in good solvent. The integration of all these results allowed us to build the phase diagram of wheat gliadins, integrating thermodynamic and structural data.

Cette thèse porte sur l'étude de milieux granulaires constitués de particules molles. Elle s'appuie d'une part sur la méthode de corrélation d'images numériques (DIC) et d'autre part sur des simulations associant la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode de Dynamique des Contacts (CD) permettant de tenir compte de la déformabilité élevée des particules et des interactions entre particules. Pour une large gamme de matériaux complexes (élastique, plastique et mousse solide), l'étude préliminaire de particules uniques comprimées radicalement valide la technique de DIC pour les mesures des champs de déformation, et pour la détermination de l'énergie de déformation pour des matériaux élastiques. Des grandeurs macroscopiques et micro-structurales tels que la compacité, la coordinence, l'énergie élastique, la densité de la probabilité de force de contact ainsi que de la densité d'énergie sont mesurées, et comparées entre les résultats numériques et expérimentaux en particulier dans le régime où les déformations des particules sont d'amplitudes finies. L'accord quantitatif entre ces approches permet de valider à la fois la méthode expérimentale pour l'étude de milieux granulaires à particules déformables, et d'autre part l'approche numérique. Forts de ces résultats, nous avons mené une étude numérique de la compression uniaxiale d'un assemblage de cylindres Néo-Hookéens. L'effet du frottement sur les paramètres macroscopiques et mico-structuraux est déterminé, y compris lorsque la compacité du système est proche de 100% / This thesis deals with the study of granular media composed of soft particles. It relies on the one hand on the method of Digital Image Correlation(DIC) and on the other hand, on simulations coupling the Finite Element Method and the Contact Dynamics method, taking into account the high deformability of particles and interactions between particles. For a wide range of complex materials (elastic, plastic and solid foam), the preliminary study of radially compressed single particles validates the DIC technique for strain field measurements, and for the determination of the strain energy for elastic materials. Macroscopic and micro-structural quantities such as packing fraction, coordination, elastic energy, probability density of the contact force as well as strain energy density, are measured and compared between the numerical and experimental results in particular in the regime where the deformations of the particles are large. The quantitative agreement between these approaches makes it possible to validate both the experimental method for the study of granular media with deformable particles, and the numerical approach. Based on these results, we conducted a numerical study of the uniaxial compression of a Neo-Hookean cylinder assembly. The effect of friction on the macroscopic and mico-structural parameters is determined, even when the packing fraction of the system is close to 100%.

La réalisation de dispositifs nanotechnologiques comportant des nanotubes de carbone (NTC) repose essentiellement sur l'intégration contrôlée des NTC sur substrat. Nous avons développé cette thématique en choisissant, plutôt que la manipulation de NTC synthétisés, l'approche de la croissance localisée de NTC par dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CCVD) sous mélange de gaz H2-CH4. Nos travaux nous ont permis de synthétiser sélectivement des NTC à partir de sites catalytiques définis, sur des substrats de silicium. Notre étude a porté sur la synthèse de NTC à partir de dépôts de nanoparticules (NP) catalytiques de cobalt préparées selon trois voies distinctes : formation in situ de NP sur support oxyde par réduction sélective de la solution solide Mg0,95Co0,05O préparée par voie sol-gel ; NP de Co préformées par voie chimique, déposées directement sur un substrat SiO2/Si ; NP formées par le recuit de couche mince métallique Co également déposée sur substrat SiO2/Si. Nous avons démontré que la CCVD sous CH4 pur ou sous mélange H2-CH4, avec montée en température sous gaz inerte, aboutit à la formation de NTC dès 850°C, à partir de dépôts catalytiques non structurés. En particulier, le choix du système catalytique adéquat permet (1) de produire des films denses de NTC (environ 1 NTC/µm²) ; (2) de favoriser la formation de NTC mono- ou biparois, dont le diamètre est généralement compris entre 0,8 et 4 nm, et la longueur de l'ordre de quelques dizaines de µm. Des techniques de structuration ont été développées dans le but de localiser les dépôts de NP catalytiques. Le tamponnage (technique de lithographie molle) d'un précurseur catalytique liquide (sol ou suspension de NP Co) à l'aide d'un timbre apparaît comme une technique adéquate pour la production de motifs catalytiques micrométriques (1 - 100 µm). En revanche, la lithographie électronique associée au dépôt en couche mince (lift-off) demeure l'outil privilégié pour localiser des motifs catalytiques de dimensi ons nanométriques (jusqu'à 50 nm) par rapport aux structures prédéfinies du substrat de silicium. Nos travaux démontrent l'adéquation de la croissance localisée pour la production de motifs de NTC avec un certain contrôle de la densité surfacique des NTC, compatible avec la formation d'interconnexions entre motifs voisins. La dimension ultime des motifs produits varie entre 50 nm et 100 µm, selon la nature du catalyseur et de la technique de structuration employée. Notre étude ne met pas en évidence l'influence nette de l'organisation des motifs catalytiques sur l'orientation des NTC, qui reste majoritairement aléatoire à la surface des substrats SiO2/Si, et ce quelle que soit la nature du catalyseur mis en Suvre.

Nous nous intéressons aux dynamiques spéciales engendrées par des objets non mouillants. Sur un substrat recouvert de rainures asymétriques en dents de scie, un liquide ou un solide en caléfaction est propulsé horizontalement. Les motifs rectifient l'écoulement de vapeur dans une direction privilégiée et le mobile est entrainé par viscosité. Sur un substrat lisse, si le solide est lui-même asymétrique, la répartition non homogène de masse incline la surface inférieure et avec elle la force de pression de l'écoulement de vapeur : sa composante horizontale met aussi l'objet en mouvement. Une goutte caléfiée entre deux plans parallèles montre également un comportement surprenant : au-delà d'un rayon critique, elle se déstabilise en formant un anneau qui s'agrandit et éclate en petits fragments. La grande mobilité de ces objets pose la question de la friction qu'ils subissent. Très faible sur un substrat lisse, on observe une dissipation inertielle dans l'air environnant et dans une couche limite liquide pour les gouttes. En revanche, sur un substrat crénelé, elle est fortement amplifiée par l'impact du liquide sur les textures. Pour terminer, nous nous intéressons à divers objets non mouillants naturels : l'argyronète aquatique et plusieurs plantes aquatiques superhydrophobes. Le premier est une araignée qui passe sa vie sous l'eau. Elle s'abrite dans une grande bulle d'air qu'elle crée en capturant, par un mouvement dynamique de son abdomen superhydrophobe et de ses pattes, de petites bulles à la surface de l'eau. Quant aux seconds, ils utilisent leurs surfaces non mouillantes pour survivre lors d'une immersion.

Nous créons des films minces smectiques de défauts topologiques linéaires sur substrats de polymère grâce au savoir faire acquis sur substrats cristallins. Le transfert de ce système sur polymère permet d'étudier l'influence du substrat sur la structure du film, et de mener un nouveau type d'étude par diffraction des rayons X en adoptant deux configurations couplées en réflexion et en transmission. D'autre part, en mélangeant des nanoparticules (NPs) à ces films, on transmet leur anisotropie aux auto-assemblages NPs d'or pour obtenir des propriétés optiques définies et activables par variation de la polarisation de la lumière. Dans le cas de films hybrides faiblement concentrés, nous créons des chaînes de NPs individuelles piégées par les dislocations smectiques, sur plusieurs dizaines de microns. En fonction de la concentration, les NPs peuvent être isolées ou en condition de couplage électromagnétique, permettant d'obtenir une anisotropie de la résonance de plasmon jusqu'à 40 nm. A plus grande concentration, le réseau linéaire de NPs se transforme en réseau bidimensionnel, toujours anisotrope, dont une direction dense est imposée le long des défauts. Pour le film smectique pur, un modèle avec un joint de grain tournant est retrouvé et interprété comme minimisant la présence de dislocations. Nous identifions deux sites de dislocations capables de piéger les nanoparticules : le premier site, préférentiel, piège les NPs dans un environnement ordonné situé près du substrat ; le second est en haut du joint de grain tournant plus proche de l'interface avec l'air, il mobilise une assemblée de dislocations reconstruites en fonction de la concentration en NPs. Finalement, cette auto-organisation dirigée de nanoparticules, ouvre la voie pour l' étude de systèmes hybrides de particules plus grandes ou de formes anisotropes pour exalter les effets d'anisotropie de l'auto-assemblage.

Ce manuscrit présente les résultats d'expériences illustrant différentes manifestations de la présence de polymères dans un écoulement. Pour chacune d'elles, nous étudions l'interaction entre la structure microscopique et l'écoulement.Lorsqu'une goutte se détache d'un capillaire, la colonne de liquide liant la goutte au capillaire doit se rompre. Pour les liquides simples, l'amincissement suit des lois universelles bien établies. La dynamique de détachement d'une goutte de fluide complexe est très différente. Pour les solutions de polymères, après une phase de décroissance rapide du diamètre de cette colonne, il se forme un long filament cylindrique entre la goutte et le capillaire. Afin de mieux comprendre comment les polymères présents en solution donnent naissance à ce filament, nous avons observé leurs conformations au cours du détachement. Ces observations confirment que l'étirement des polymères est à l'origine du ralentissement du processus de détachement. Cependant, lors de l'amincissement du filament, la distribution des longueurs reste inchangée. Ce résultat inattendu, nous a amené à mettre en place une nouvelle méthode pour estimer la viscosité élongationnelle.D'autres expériences sont présentées, l'une porte sur un effet de déplétion qui apparait lors de l'écoulement confiné d'une solution de polymères, alors que l'autre porte sur l'écoulement instable d'une solution concentrée de polymères dans une conduite rectiligne.

Nous avons déterminé par diffusion de rayons X le potentiel d'interaction entre deux bicouches, une première adsorbée sur un substrat solide et une deuxième flottant à proximité. Nous montrons que les interactions dans ces systèmes fortement hydratés sont deux ordres de grandeur plus faibles que dans les travaux précédents menés sur des phases multilamellaires. Cette caractéristique est attribuée à la répulsion électrostatique due à la faible fraction de lipides ionisés. Nous avons de plus accès aux potentiels de répulsion entropique, et testons les différents modèles théoriques existants. Les effets d'un champ électrique sur les membranes ont également été étudiés. Nous montrons que le champ induit une tension négative et une rigidité positive, et mène à la déstabilisation d'une bicouche supportée sous certaines conditions. Finalement, nous mesurons les propriétés de membranes chargées par diffusion de rayons X, nous permettant d'accéder aux limites de la théorie de Poisson-Boltzmann.

Les membranes biologiques sont le centre de nombreux phénomènes hors équilibres qui sont essentiels pour les cellules. Pour une description physique plus complète des biomembranes, nous avons étudié, théoriquement et expérimentalement, les effets de deux processus hors équilibres sur les propriétés de membranes artificielles. Premièrement, nous avons développé une théorie, complètement covariante, des membranes qui sont soumises à des échanges de matériels biologiques (i.e. lipides, enzymes et protéines membranaires). Avec cette description, l'étude des fluctuations de telles membranes nous a montré que, sous certaines conditions , celles-ci peuvent devenir instables en développant un long et fin tubule qui présente certaines similitudes morphologiques avec les membranes des organelles. Nous avons appliqué ce modèle avec succès pour décrire le phénomène de fusion observé expérimentalement entre de petites et de grosses vésicules chargées mimant le phénomène d'endocytose. Deuxièmement, nous avons étudié les effets de l'activité des protéines membranaires sur le spectre des fluctuations. Un modèle théorique qui prend en compte l'activité hors équilibre des protéines prévoit une amplification des fluctuations lorsqu'un bruit hors équilibre s'ajoute au bruit thermique. Pour tester expérimentalement ces prévisions, il a fallu reconstituer une pompe ATP-dépendante, l'ATPase-Calcium dans des vésicules géantes unilamellaires. Puis grâce à la technique d'aspiration par micropipette, nous avons mis en évidence à la fois une décroissance du module de courbure liée à la présence des protéines dans la membrane, et une augmentation des fluctuations dans les membranes actives.

Les défauts créés dans les polymères soumis aux rayonnements ionisants, en atmosphère inerte, suivent pratiquement tous la même évolution en fonction de la dose. Lorsque la dose augmente, leur concentration augmente puis se stabilise. L'hypothèse retenue pour expliquer ce comportement est la mise en place de transferts d'énergie vers les défauts macromoléculaires créés aux faibles doses. Ceux-ci agissent comme des pièges à énergie et conduisent donc à la radio-stabilisation du polymère. Au cours de cette thèse, nous nous sommes attachés à la quantification de l'apport de l'insaturation trans-vinylène dans le comportement sous rayonnements ionisants du polyéthylène. Avec le dihydrogène, ce groupement compte parmi les défauts majoritaires créés dans ce polymère. Du fait de la variété des défauts et de la simultanéité de leur création, nous avons choisi une méthodologie nouvelle consistant à insérer par voie de synthèse, de manière spécifique et à différentes concentrations, des insaturations de type trans-vinylène, dans les chaînes de polyéthylène. Les polymères résultants ont été irradiés, en atmosphère inerte, avec des rayonnements de faibles TEL (gamma, bêta) et de forts TEL (ions lourds). Tant les défauts macromoléculaires que l'émission de dihydrogène ont été quantifiés. Il apparaît, sur la base des résultats expérimentaux, que l'apport des groupements trans-vinylènes est prédominant dans la radio-stabilisation du polyéthylène en atmosphère inerte.

Dans cette thèse théorique, les propriétés élastiques et dynamiques d'un solide sont étudiées afin de mieux comprendre les étapes qui mènent d'un cristal parfait à un système vitreux. Les expérimentateurs observent au microscope confocal des couches de verre colloïdal, pour en étudier les propriétés élastiques locales. Il est prouvé analytiquement ici que, déjà pour un cristal, l'observation d'une couche bidimensionnelle conduit à des constantes élastiques et à une relation de dispersion différentes de celles du solide tridimensionnel. Des simulations de dynamique moléculaire d'un cristal de sphères dures confirment ce résultat. De plus, il est montré numériquement que l'ajout de polydispersité dans les rayons des sphères augmente les constantes élastiques du cristal et crée des modes élastiques localisés sur les particules de mobilité extrême. Parallèlement, les propriétés élastiques et dynamiques d'un solide surchauffé sont étudiées. Un modèle minimal, de type mécanisme réactionnel, est proposé pour décrire la dynamique de la fusion homogène. Ce modèle est utilisé pour établir une approche de champ moyen qui prédit les propriétés macroscopiques des états métastable et d'équilibre. Ces prédictions sont comparées avec succès à des résultats de dynamique moléculaire. Le mécanisme réactionnel sert également à concevoir des simulations de Monte-Carlo cinétique, qui rendent compte des fluctuations et reproduisent l'existence d'une goutte critique de liquide, analogue à celles identifiées en dynamique moléculaire, sans recourir à la description des vitesses et positions des particules.