Les mutations de la société au cours du dernier siècle ont de fortes répercussions sur le fonctionnement de la majorité des écosystèmes. Notre société fait face à un paradoxe complexe défini par la nécessité de satisfaire des conditions de vie décentes d’une population mondiale croissante tout en limitant les impacts négatifs sur les écosystèmes. Le concept de service écosystémique a été proposé pour accompagner la résolution de ce paradoxe et de nombreuses attentes reposent sur ce concept. Mon travail de thèse a pour objectifs d’évaluer les apports actuels de la cartographie des services écosystémiques pour caractériser les patrons spatiaux et déterminants de la multifonctionnalité des territoires.Dans le chapitre I nous proposons une analyse des associations entre le service de production agricole et quatre services de régulation au niveau des surfaces agricoles de la région Rhône-Alpes (France). Ce travail nous permet de revenir sur la définition des compromis et synergies entre services écosystémiques aussi bien que sur le concept de bouquet de services écosystèmiques. Par ailleurs, en s’inspirant du concept de niche écologique pour les espèces, nous évaluons l’adéquation spatiale entre la fourniture de services écosystèmiques et les caractéristiques socio-écologiques des milieux (i.e. leur niche socio-écologique). Nos résultats révèlent une grande variabilité dans les associations entre le service de production agricole et les services de régulation. Cette observation souligne le poids des modalités de gestion agricole dans l’orientation des associations entre services écosystèmiques. Par ailleurs, nous soulevons de nombreuses interrogations vis-à-vis de la robustesse des analyses courantes des bouquets de services écosystèmiques.L’influence de la résolution spatiale des données de modélisation sur la cartographie des services écosystèmiques est évaluée dans le chapitre II. Pour cela nous comparons les cartes utilisées dans le premier chapitre avec les informations apportées par un projet de cartographie de services écosystèmiques à haute résolution spatiale sur la région de Grenoble (projet ESNET). Cette analyse alimente une réflexion sur les limites des modèles utilisés pour cartographier les services écosystémiques.Dans le but d’améliorer la modélisation des services écosystémiques fournis par les terres agricoles, nous développons dans le chapitre III, une approche basée sur la télédétection pour cartographier l’utilisation des terres agricoles dans la région de Grenoble. L’utilisation conjointe de données satellitaires MODIS et RapidEye nous permet de déterminer les successions culturales sur 5 années à la résolution de la parcelle agricole. Validée par les données du registre parcellaire graphique, l’utilisation de ces données spatialement explicites améliore significativement notre capacité de cartographie de la production agricole et pourrait être utilisée pour cartographier de nombreux autres services écosystèmiques.Alors que le chapitre III est focalisé sur l’utilisation de la télédétection pour la cartographie de l’utilisation des terres agricoles, le chapitre IV propose une synthèse des autres utilisations des données de télédétection pouvant potentiellement contribuer à la modélisation des services écosystémiques. Ce travail est une mise en correspondance entre les capacités des approches de télédétection et les besoins des modélisateurs de services écosystémiques, sur la base d’une analyse bibliographique d’un large panel d’études de cartographie des services écosystémiques / Societal changes over the last century have strongly affected the majority of ecosystem dynamics. Our society is facing a complex paradox: how to maintain decent livelihoods for the world population while limiting negative effects of human activities on ecosystems? The concept of ecosystem services has been proposed to contribute to the solving of this paradox and it holds strong expectations. My PhD research aims at assessing the contribution of ecosystem services mapping to the definition of patterns and drivers of landscape multifunctionality.Chapter I analyses the spatial associations between the agricultural production service and four regulating services over the agricultural lands of the Rhône-Alpes region (France). This work allows us to insist on the ways trade-off and synergies between ecosystem services are defined as well as on the characterization of bundles of ecosystem services. Furthermore, taking advantage of the "ecological niches” concept usually applied to biodiversity, we assess spatial matching between the supply of ecosystem services and the socio-ecological specificities of associated areas, i.e. their social-ecological niche. Our results highlight a large variability concerning associations between agricultural production and regulating services, which illustrates the strong influence of farming practices (e.g., in terms of intensity) in defining the strength of associations between multiple services. In addition, we raised the issue of the robustness of standard statistical analyses to consistently identify bundles of ecosystem services.Chapter II assesses the influence of spatial resolution of modeled data on ecosystem services mapping. To this end, we compare the maps used in the first chapter with high spatial resolution data provided at Grenoble area scale (in the context of the ESNET project). Based on this comparison, we discuss the limits of models used to map ecosystem services.To improve the mapping of ecosystem services supplied by agricultural areas, we propose, in chapter III, a remote sensing-based approach to map agricultural land uses at high resolution on Grenoble region. Simultaneous use of MODIS and Rapideye satellite data allows us to determine cropping successions for 5 years at farming plot scale. These spatially explicit data significantly improved our abilities to map agricultural productions and may be used to map several other ecosystem services.To complete the third chapter, chapter IV gives a synthesis of remote sensing approaches that could be used to map ecosystem services, focusing on methods that are not linked to land uses identification. Based on a wide panel of ecosystem services mapping studies, we highlight data currently needed to map ecosystem services. Then we bridge these needs and the potential of remote sensing approaches for ecosystem services modelers.

Cette thèse porte sur la création interactive intuitive de formes 3D, justifié pour les artistes par un besoin d'efficacité et d'expressivité et pour le grand public par la démocratisation d'usages de la modélisation numérique pour les jeux vidéo ou pour les imprimantes 3D. Dans ce cadre, pour trouver des nouvelles formes d'interactions, nous avons développé des modeleurs et des techniques de modélisation : un modeleur de formes libres 3D par métaphore de peinture, un modeleur vectoriel temps réel de paysages ainsi qu'un modeleur de paysages par croquis vu de la première personne. Les contributions scientifiques vont d'un opérateur de mélange implicite qui garanti la localité du mélange, à l'utilisation qu'une formulation bi-harmonique pour la modélisation de terrains permettant une modélisation fine, intuitive et temps réel de terrains; en passant par la modélisation de paysages à partir de croquis composé de silhouettes vus de la première personne. / This thesis focuses on the interactive intuitive creation of 3D Models. Improvment of modeling tools for artists is still an active research mater especialy concerning efficiency and expressiveness. Moreother video games or 3D printers are make the use of modeling tools more common by the general public. In this context, to find new forms of interaction, we have developed modelers and modeling techniques: a 3D free-form modeler which uses a painting metaphor for creation, a vector-based real-time landscapes modeler as well as a sketch-based landscapes modeler that uses first person drawnings. Scientific contributions range from a blending operator for implicit modeling that guarantees the locality of the blend. The use for a bi-harmonic formulation for landscape modeling that allow fine, intuitive and real-time terrain modeling. Finally through landscape modelisation using sketches composed of silhouettes seen from the first person point of view.

La photocatalyse est un procédé d’oxydation avancée et son utilisation est répandue dans le traitement de l’eau. Cette thèse traite de la dépollution d’eau au sein d’un réacteur original mettant en oeuvre un textile lumineux photocatalytique. Le textile est composé de fibres optiques parallèles situées sur une face d’un tissu fibreux. L’unité d’un tel système est assurée par des points de liage répartis périodiquement fixant les fibres optiques au tissu. Un traitement de microtexturation des fibres optiques permet la création d’une multitude de trous sur leur surface latérale. Une émission de lumière macroscopiquement homogène est provoquée lors de la connexion des fibres optiques à une lampe UV. Un dépôt de catalyseur, tel que le dioxyde de titane, sur l’intégralité du textile, conjuguée au rayonnement UV induit une activité photocatalytique. Cette thèse consiste à l’étude des phénomènes agissant dans un dispositif intégrant le textile lumineux photocatalytique. Dans ce réacteur plan modèle, le textile est confiné entre deux plaques et un écoulement unidirectionnel parallèle aux fibres optiques est mis en oeuvre. La dépollution d’un fluide par photocatalyse résulte du couplage de plusieurs mécanismes : écoulement, transport et réaction. Des modèles numériques sont ainsi développéssur un volume élémentaire représentatif du textile (appelé RVE) pour simuler la dépollution d’une eau comportant une molécule test, à l’échelle microscopique. Cette géométrie est choisie en tenant compte des caractéristiques structurelles du textile photocatalytique. La première étape est l’analyse de l’hydrodynamique au sein du textile, qui couple des écoulements fluide et en milieu poreux. Une étude expérimentale préliminaire a permis l’acquisition de données nécessaires à une représentation réaliste de l’écoulement en milieu poreux. Dans un second temps, le transport est caractérisé par une étude de la distribution des temps de séjour (DTS) au sein du réacteur. Des simulations successives utilisant des conditions aux limites pseudo-périodiques sont réalisées pour calculer numériquement la DTS. Elles sont validées par des mesures expérimentales de traçage de colorant. Enfin, la dégradation d’une molécule test est analysée expérimentalement et numériquement. L’étude numérique présente des approches macroscopique et microscopique. L’étude à l’échelle macroscopique permet de quantifier globalement les performances du réacteur et de fournir des valeurs de constantes cinétiques nécessaires aux simulations àl’échelle microscopique. Une analyse fine et précise de la dépollution est ainsi réalisée au sein du RVE. Elle montre les atouts et limitations du réacteur modèle en termes d’efficacité de dépollution et d’homogénéité de fonctionnement. Des propositions d’améliorations sont finalement émises, notamment une configuration de réacteur comportant un empilement de textiles photocatalytiques. / The photocatalysis is known as an advanced oxidation process and its use is common for the water treatment. This thesis deals with the water depollution within an original reactor integrating the UV-light photocatalytic textile. The textile is composed of parallel optical fibres located on a side of a fibrous fabric. The unity of the system is ensured by bonding points periodically distributed fixing the optical fibres to the fabric. A microtexturization treatment is applied to the optical fibres and a multitude of punctual light sources are thus created on their lateral surface. A light emission macroscopically homogeneous is provided by the connection of optical fibres to an UV lamp. The coating of catalyst, such as titanium dioxide, associated with UV irradiation generates photocatalytic activity. This thesis consists in studying phenomena which occurs within a setup containing the UV-light photocatalytic textile. In this model plane reactor, the textile is confined between two plates and a unidirectional flow parallel to optical fibres is applied. The fluid depollution results of the coupling between several mechanisms : fluid flow, transport and reaction. Numerical models are thus developed on a representative volume element of the textile (called RVE) to simulate at the microscopic scale the depollution of water containing a test molecule. This geometry is designed by taking account the structural characteristics of the photocatalytic textile. The first stage is the analysis of the hydrodynamic within the textile that combines free flow regions and porous medium flows. A preliminary experimental study allows the acquisition of data necessary to a realistic representation of the porous medium flow. Secondly, the transport is characterized by a study of the residence time distribution (RTD) within the reactor. Successive simulations using pseudo-periodic boundary conditions are performed to numerically calculate the RTD. They are validated by experimental measurements using dye tracing. Finally, the degradation of a test molecule is analysed experimentally and numerically. The numerical study presents both approaches macroscopic and microscopic. The study at the macroscopic scale allows to globally quantify the reactor performances. On the other hand, kinetic constants necessary to simulations at the microscopic scale are determined by fitting of the macroscopic model with experimental measurements. An accurate analysis is thus realized within the RVE. It points the advantages and limitations of the model reactor in terms of depollution efficiency and functioning homogeneity. Suggestions of structural improvement are proposed and especially a reactor integrating a stack of photocatalytic textiles.

Depuis quelques décennies, les flavonoïdes sont de plus en plus utilisés dans différents domaines d’applications alimentaires et non alimentaires. Cet engouement est dû principalement à leurs activités antioxydantes. Cependant, la solubilisation, la dispersion et la stabilisation de ces molécules sont variables et constituent un frein à leur utilisation. L’objectif de ce travail est de pallier cet inconvénient en visant à comprendre les interactions entre ces composés et leur milieu en absence et en présence de polymères, par une double approche expérimentale et par modélisation et mésomodélisation moléculaire. Dans un premier temps les interactions entre 3 flavonoïdes la quercétine et ses deux formes glycosilées la rutine et l’isoquercétine dans différents solvants organiques ont été étudiées. Les résultats obtenus (paramètre de Flory Huggins et fonction de la distribution radiale) ont montré que la partie B2 commune aux trois flavonoïdes avec des valeurs de paramètres de Flory Huggins proche de 0.5 dans le M2B2 et plus importantes dans l’acétonitrile est la responsable du comportement des flavonoïdes dans le solvant. Les simulations par DDFT ont montré une agrégation de la quercétine dans le M2B2 contre une dispersion dans l’acétonitrile. Toutes ces observations ont été validées expérimentalement (étude de la solubilité et observations microscopiques). Dans un deuxième temps on a étudié la quercétine en présence d’un bioploymère le PLGA dans l’eau. Des nanoparticules ont été formées en variant la concentration des différents composés et le ratio acide lactique / acide glycolique du PLGA. Les méthodes de la modélisation moléculaire et de la mésomodélisation (calcul du paramètre de solubilité par dynamique moléculaire et observation de la dispersion ou de la séparation de phase par DDFT) ainsi que l’approche expérimentale (DSC, MET …) nous ont menées à la même constatation. En effet la taille des particules augmente avec la concentration du PLGA et le taux d’acide lactique dans le polymère. Aussi la concentration de l’émulsifiant dans le milieu joue un rôle important dans la formation d’agrégats PLGA-Q. Plus sa concentration est importante, plus la formation des particules est difficile comme il joue un rôle sur la viscosité du milieu et par conséquence la diffusivité des molécules dans l’eau. Tous les résultats obtenus par modélisation moléculaire et par mésomodélisation ont été validés expérimentalement. On peut donc conclure que la méthodologie adoptée en simulation peut constituer un outil d’aide à la prédiction du comportement des flavonoïdes / Over the past few decades, flavonoids have become increasingly used in different food and non-food applications due to their important antioxidant activities. However, the solubilization, dispersion and stabilization of these molecules are variable and constitute a brake on their use in different formulations. The objective of this work is to overcome those limitations by understanding the interactions between these compounds and their environment without and with the add of polymers, by a multi-scale approach approach (molecular modeling and mesoscale modeling and experimental study). Initially, interactions between 3 flavonoids (quercetin, rutin and isoquercetin) in various organic solvents, were studied. The obtained results (mainly Flory Huggins parameter and radial distribution function RDF) showed that the B2 part common to the three flavonoids (For example Flory Huggins parameter values were close to 0.5 in the M2B2 and much more important in acetonitrile) is responsible for the miscibility behavior of the flavonoids in the solvent. DDFT simulations showed aggregation of quercetin in M2B2 against dispersion in acetonitrile. All these observations were confirmed experimentally (study of solubility and microscopic observations). Then, quercetin was studied in the presence of a biopolymer, PLGA in water. Nanoparticles were formed by varying the concentration of the various compounds and the lactic acid / glycolic acid ratio in the PLGA. The tools of molecular modeling and mesoscale modeling (calculation of the solubility parameter by molecular dynamics and observation of the dispersion or the phase separation by DDFT) as well as the experimental approach (DSC, MET ...) led us to the same conclusions. Indeed, the particle size increases with the concentration of PLGA and the rate of lactic acid in the polymer. Also the concentration of the emulsifier in the medium has an important role in the formation of PLGA-Q aggregates. The higher its concentration, the more difficult the formation of the particles as it affects the viscosity of the medium and consequently the diffusivity of the molecules in the water. All the results obtained by molecular modeling and by mesoscale modeling have been confirmed experimentally. We can therefore conclude that the methodology adopted in the simulations can be considered as a tool to help on predicting the behavior of flavonoids in different medium

Nous avons appliqué notre interface QM/MM pour modéliser les propriétés photophysiques et photochimiques du chromophore rétinal dans plusieurs environnements.Nous avons commencé par montrer que la méthylation du squelette carbonné du rétinal, qui transforme une photochimie lente en un processus ultra-rapide, comme dans une protéine, dans une solution de méthanol, modifie l’interaction entre les états excités du rétinal, et favorise la formation d’une espèce transitoire réactive. Nous avons ensuite étudié l’effet direct de l’environnement dans le cas de mimiques de la rhodopsine, où des mutations ponctuelles de quelques acides aminés donnent des systèmes qui absorbent sur toute la gamme du visible. En combinaison avec la spectroscopie pompe-sonde ultra-rapide, notre méthode a montré que le potentiel électrostatique autour du rétinal peut affecter la forme des surfaces d’énergies potentielles excitées, et peut moduler le temps de vie de l’état excité ainsi que le lieu de photo-isomérisation. Ensuite, nous avons montré que l’état de protonation standard des acides aminés proches du rétinal dans la bacteriorhodopsine mènent à une surestimation de l’énergie d’absorption,alors que la protonation du résidu Asp212 donne des résultats plus précis ; nous souhaitons maintenant valider ce modèle par le calcule des propriétés de fluorescence et de temps de vie de l’état excité. Enfin, nous avons modélisé la photophysique de la base de Schiff non-protonée d’un pigment UV, où une photochimie originale, et non encore documentée, a lieu, impliquant notamment un état doublement excité. Ces études ont montré la robustesse de notre potentiel QM/MM pour modéliser une large gamme d’environnements. / We have used our QM/MM interface to model the photochemical and photophysical properties of the retinal chromophore in several environments.First, we proved that methylation of the retinal backbone, which converts a slow photochemistry to an ultra-fast protein-like behaviour in methanol solution, modifies the interplay between the retinal excited states, favouring the formation of a photo-active transient intermediate. Then, we have studied the direct effect of the environment in the case of rhodopsin mimics, where point mutations of a few amino-acids lead to systems that can absorb in the wide visible range. Combined with ultra-fast pump-probe spectroscopy, our method has shown that the electrostatic potential around the retinal can affect the shape of the excited potential energy surface, and is able to tune the excited state lifetime as well as the location of the photoisomerization. Next, we showed that the currently accepted protonation state of amino-acids in the vicinity of the retinal in bacteriorhodopsin leads to a strongly blue shifted absorption, while the protonation of Asp212 leads to accurate results; we now aim toward a validation of this protonation by computation of fluorescence and excited state lifetime. Finally, we have modeled the photophysics of the unprotonated Schiff base in a UV-pigment, where an original an previously unreported photochemistry takes place, especially with the direct involvement of a doubly excited state. These studies have shown the reliability of our QM/MM potential for modeling a wide range of different environments.

À Paris environ 44% des bâtiments ont été construits avant 1914 avec des murs épais non isolés et des matériaux poreux, caractérisés par une forte inertie thermique et des propriétés hygroscopiques. Les propriétés hygrothermiques des matériaux utilisés dans les constructions anciennes ont des effets qui : (i) confèrent (aux bâtiments) de bonnes qualités thermiques en période estivale et (ii) contribuent à réguler la température et l’humidité relative intérieure. En France les politiques d’économie d’énergie et la régulation thermique ont abouti à la mise en place de l’isolation thermique afin de réduire les consommations d'énergie pendant l'hiver. L'installation de l'isolation thermique dans la rénovation des bâtiments existants pose cependant des difficultés. D’autre part, il est prévu que des conditions extrêmes de chaleur deviennent plus fréquentes dans des scénarios du climat futur. Ainsi, les évolutions possibles du climat futur doivent être intégrées dans l'évaluation des stratégies de rénovation dans le bâtiment ancien. Ce travail de thèse porte sur l'évaluation du comportement hygrothermique de constructions anciennes rénovées à Paris, dans des conditions météorologiques actuelles et de vague de chaleur. A l’échelle des logements un modèle a été construit sur un outil de simulation thermique dynamique, calé et validé à travers des données enregistrées dans une campagne de mesure lancée en 2014 dans les logements étudiés. À l’échelle de la paroi un modèle macroscopique en 2D est proposé afin d'étudier les transferts de chaleur et de masse dans un mur poreux constitué de plusieurs couches avec de l’isolation thermique par intérieur et par l’extérieur. / In Paris 44% of the dwellings were built before 1914 with uninsulated thick walls made of porous materials, characterized by high thermal inertia and hygroscopic properties. The hygrothermal properties of existing buildings materials have effects that: (i) give (to these buildings) good thermal qualities in summer and (ii) help to regulate indoor temperature and relative humidity. In France the energy saving policies and thermal regulation have resulted in the implementation of thermal regulation to reduce energy consumption during winter. Though the installation of thermal insulation in existing buildings poses a number of difficulties. Moreover, it is expected that extreme heat conditions become more frequent in future climate scenarios. Thus, the possible evolutions of future climate must be integrated into the evaluation of renovation strategies in old buildings. This thesis focuses on the assessment of the hygrothermal behavior of old renovated Parisian buildings, in current and heat wave weather. At the building scale (housing), a model was built in dynamic thermal simulation tool. The model was calibrated and validated through recorded data from a measurement campaign launched in 2014 on the studied housings. At the wall scale, a macroscopic model in 2D is proposed to study the heat and mass transfer through a multilayered porous wall, renovated with internal thermal insulation and external thermal insulation.

Ce travail de thèse a eu pour but d'étudier la thermodynamique de petits objets (nanoparticules ou édifices biomoléculaires) dans des milieux fortement hors-équilibre. Deux milieux miroirs ont été explorés, à savoir des gouttelettes micrométriques chargées et des microbulles générées sous irradiation laser intense. Ces deux systèmes sont par nature difficiles à sonder par des méthodes traditionnelles, c'est pourquoi, une thermographie innovante multi-échelle par méthodes optiques a été développée. Ainsi, une thermographie locale (au sein des nano-objets) et globale (dans le milieu environnant) a été réalisée. Cette thermographie utilise la fluorescence induite par laser - méthode simple, non invasive et efficace pour fournir une mesure de température avec une bonne résolution spatiale, temporelle et thermique - grâce à des colorants thermochromiques directement en solution dans le milieu ou bien incorporés dans les nano-objets. Cette thermographie est également complétée avec d'autres mesures physiques, notamment la taille des gouttelettes et des bulles micrométriques pour aller vers une étude thermodynamique exhaustive de ces systèmes. Ces études thermodynamiques ont été menées autour des deux thématiques : Edifices biomoléculaires dans des gouttelettes micrométriques chargées en cours de déshydratation. Les sources électrospray, devenues un outil incontournable en spectrométrie de masse, présentent une thermodynamique riche et encore mal comprise. Des mesures de taille et de température de gouttelettes micrométriques chargées en cours d'évaporation ont pu être confrontées dans le but d'avoir une description thermodynamique complète d'une source électrospray. De plus, afin de pouvoir suivre la conformation des édifices biomoléculaires (protéines) en cours de déshydratation, le concept d'anisotropie de fluorescence comme sonde conformationnelle a été validé en solution et pourra être transposé pour une analyse in situ dans la plume de l'électrospray.Nanoparticules dans des microbulles générées sous irradiation laser intense. Il s'agit ici d'étudier l'influence de nanoparticules lors de la génération de microbulles par nano-cavitation induite par irradiation laser intense, thématique au coeur du projet « ERTIGO ». Le principal objectif scientifique de ce projet a été d'obtenir une compréhension des mécanismes d'absorption d'une solution contenant des nanoparticules irradiées. A cet effet, une source lumineuse atypique (laser aléatoire) a été employée / The aim of this thesis was to study the thermodynamics of small objects (nanoparticles or biomolecule) in out-of-equilibrium media. Two mirror media were explored, namely charged micrometric droplets and microbubbles generated under intense laser irradiation. By nature, these two systems are difficult to probe by traditional methods, which is why an innovative multi-scale thermography by optical methods has been developed. Thus, a local (within the nano-objects) and a global (in the surrounding medium) thermography were carried out. Such thermography uses Laser-Induced Fluorescence - a simple, non-invasive and efficient method for providing temperature measurements with good spatial, temporal and thermal resolution - using thermochromic dyes directly in solution or incorporated into nano- objects. This thermography is also supplemented with other physical measurements, in particular the size of microdroplets and microbubbles, towards a complete thermodynamic study of these systems. These thermodynamic studies were carried out around the two following themes: Biomolecular structures in charged microdroplets during dehydration. Electrospray sources, which have become an essential tool in mass spectrometry, present a rich and still poorly understood thermodynamics. Measurements of the size and temperature of charged micrometric droplets during evaporation have been possible in order to obtain a complete thermodynamic description of an electrospray source. Moreover, in order to be able to follow the conformation of biomolecules (proteins) during dehydration, the concept of fluorescence anisotropy as a conformational probe has been validated in solution and can be transposed for an in situ analysis into the electrospray plume. Nanoparticles in microbubbles generated by intense laser irradiation. Here, we want to study the influence of nanoparticles during the generation of microbubbles by nano-cavitation induced by intense laser irradiation. This thematic is at the heart of the project "ERTIGO". The main scientific objective of this project was to obtain an understanding of the absorption mechanisms of a solution containing irradiated nanoparticles. For this purpose, an atypical light source (random laser) has been used in order to be able to illustrate this complex out-of-equilibrium system as a function of time by optical microscopy. In parallel, a local measurement of the temperature of the nanoparticles is envisaged

Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche d'éco-conception de matériaux architecturés à fort potentiel acoustique. On s'intéresse en particulier dans ce travail de thèse à la description des phénomènes de dissipation et de propagation des ondes acoustiques dans un milieu fibreux par une approche multi-échelle et multi-physique. Dans cette étude, il s'agit de décrire les propriétés acoustiques du milieu fibreux à partir d'une description de la géométrie à l'échelle locale de milieux fibreux. Le milieu fibreux est constitué de fibres d'asclépiades, qui sont typiquement des fibres végétales adoptant la forme de longs cylindres. Pour traiter ce problème, la méthodologie employée consiste en quatre étapes principales : (i) caractérisation et modélisation de la géométrie du milieu fibreux; (ii) calcul des paramètres de transport et acoustiques du milieu fibreux reconstruit; (iii) validation expérimentale de propriétés de transport et acoustiques; (iv) évaluation des évolutions de propriétés de transport en fonction des paramètres de la géométrie à l'échelle locale de matériau. En particulier, un modèle isotrope spatialement stationnaire de lignes droites (processus de Poisson) et le tenseur d'orientation angulaire correspondant, constituent des outils de modélisation de la géométrie aléatoire du milieu fibreux permettant de représenter les principales caractéristiques susceptibles d'influencer ses propriétés de transport. Il s'agit ensuite de résoudre les principaux problèmes aux limites gouvernant le comportement acoustique à l'échelle supérieure en appliquant une technique classique d’homogénéisation numérique. On montre dans un premier temps que la méthode développée permet de prédire le comportement en absorption d'un milieu fibreux aléatoire en se basant uniquement sur la description des caractéristiques géométriques du matériau fibreux réel (porosité, rayon de fibres, distributions des orientations angulaires) sans coefficient d'ajustement, validations expérimentales à l'appui. Sur la base de ce travail de reconstruction tridimensionnel, on étudie ensuite systématiquement l'ensemble des phénomènes de transport d'intérêt sur une large gamme de porosité et d'orientations angulaires, de manière à produire des lois qui peuvent être appliquées par la suite par d'autres utilisateurs sur une large gamme de milieux fibreux réels. Finalement, on examine plus particulièrement l'hypothèse classique selon laquelle un milieu fibreux peut être décrit à partir de la moyenne arithmétique du diamètre de ses fibres, afin de cerner les limites de cette approche et ses conditions d'applicabilité lorsque le milieu fibreux présente une distribution étendue de diamètres de fibres ou bimodale / This research project was inscribed in an eco-conception approach for architected materials with high acoustic potential. In this research project, we are interested particularly in the description of dissipation and propagation phenomena of sound waves in a fibrous medium by using multi-scale and multi-physics approaches. In this work, we determine the transport and acoustic properties of fiber media based on the description of geometry at their local scale. The fiber media consist of asclepias fibers which are typically vegetable fibers adopting a long hollow cylinder. To solve this problem, the methodology consists of 4 principle steps below: (i) Characterize and model the geometry of fiber medium; (ii) Calculate the transport parameters and acoustic properties of reconstructed fiber medium; (iii) Validate the results of the transport and acoustic properties by comparing with experimental measurements; (iv) Evaluate the evolution of transport parameters as function of geometrical parameters at the local scale. For the geometrical reconstruction, isotropic model of straight lines (Poisson processes) and angular orientation tensor were used. They allow representing of principle characteristics influencing the transport and acoustic properties of material at macroscopic scale. The resolutions of principal problems governing the acoustic behavior at the macroscopic scale were then performed by using the numerical homogenization method. We firstly demonstrate that the developed method allows predicting of absorption behavior of a random fiber medium based on only their geometrical characteristic description (porosity, fibers radius, angular orientation distribution) without adjustment coefficient, and the validated by experimental measurements. Secondly, based on the reconstruction method, one can systematically study the whole transport phenomena on a wide range of porosity and angular orientation in order to provide the laws which can be applied by other user on a wide range of real fiber media. Finally, we verify more particular the hypothesis that a fibrous material can be described by a mean diameter value of their fibers, this work allows identifying the limit of this approach and their application conditions when a fiber medium is constituted of a large distribution of fiber diameters or bimodal

Ce mémoire s'intéresse aux propriétés de transfert, de résistance et de plasticité de roches argileuses. Deux enjeux industriels directs sont la détermination du potentiel de production de gaz naturel des roches mères et de la capacité de rétention des roches de couvertures utilisées pour les stockages de gaz ou de déchets en milieu souterrain. Dans un premier temps, la perméabilité est décrite comme résultant de l'homogénéisation de l'écoulement d'un fluide visqueux dans le réseau poreux. Un cadre variationnel analogue à celui de Hashin et Shtrikman en élasticité est établi et mis à profit pour proposer une méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (FFT) pour le calcul efficace de bornes sur la perméabilité à partir de représentations tridimensionnelles voxelisées de milieux poreux. Par ailleurs, des techniques d'homogénéisation analytiques basées sur la définition de cellules perméables équivalentes sont proposées pour fournir des briques élémentaires pour la modélisation micro-mécanique de la perméabilité.Le phénomène de glissement du gaz aux parois est considéré pour rendre compte quantitativement d'effets du type Klinkenberg sur la perméabilité au gaz. L'effet d'une saturation partielle du réseau poreux sur la perméabilité et la pression de percée sont étudiés dans le cas de morphologies particulières des pores. En parallèle, une campagne expérimentale est conduite sur différentes roches argileuses issues de forages pour caractériser leur porosité et leur perméabilité sous diverses conditions de confinement mécanique et desaturation partielle en eau. Dans un second temps, les capacités de résistance sont étudiées sous hypothèse de rupture ductile. Une méthode numérique efficace basée sur la FFT est proposée pour encadrer par l'extérieur le domaine de résistance de milieux hétérogènes à géométrie complexe. D'autre part, une modélisation analytique à trois échelles de la résistance d'un matériau granulaire renforcé par inclusions rigides avec interfaces imparfaites est présentée. Enfin, une relecture élasto-plastique de ce modèle de résistance a abouti à un modèle purement micro-mécanique, dont l'interprétation macroscopique est analogue au modèle Cam-clay, avec écrouissage par changement de porosité et ligne d'états critiques / This thesis is focused on the strength, plasticity and transport properties of mudrocks. Two industrial applications are the shale gas production and the underground gas or waste storage. In a first part, the permeability is described as resulting from the homogenisation of the flow of a Newtonian fluid within the pore space. A Hashin-Shtrikman like framework is derived for the permeability upscaling and used to propose a FFT-based numerical method for the efficient computation of bounds on the permeability, directly compatible with a voxelised representation of the pore space. As an alternative, analytic homogenisation techniques based on the definition of equivalent permeable cells are developed to provide building blocks for the micro-mechanical modelling of permeability. The gas slip at pore walls is accounted for to model Klinkenberg effects for gas permeability. Partial water saturation is also considered to model relative gas permeability and gas breakthrough pressure. In the mean time, a thorough experimental investigation of the evolution of porosity and permeability with confining pressure and partial water saturation has been carried out on several types of mudrocks. In a second part, the ductile strength properties is studied. An efficient FFT-based numerical method is proposed to compute the homogenised strength domain of heterogeneous media with complex micro-structures. Next, a three-scale analytic model of the strength of a granular media reinforced by rigid inclusions with imperfect interfaces is presented. In a third part, this strength model is re-interpreted in plasticity to propose a purely micro-mechanical model, whose macroscopic interpretation is similar to the Cam-clay model, including hardening or softening due to an evolving porosity and a critical state line

Les flavonoïdes, molécules naturelles possédant des propriétés antiradicalaires et antioxydantes, sont produits au cours de cascades enzymatiques impliquant plusieurs enzymes. Il a récemment été proposé que certaines de ces enzymes s'assembleraient pour former un complexe multienzymatique transitoire, appelé métabolon, ancré à la membrane cellulaire. Cette structure rendrait possible des phénomènes de transfert direct de métabolites d'un site actif à l'autre (substrate channeling), réduisant ainsi les temps de diffusion et minimisant les effets de solvatation/désolvatation du substrat. L'objectif de ce travail est de proposer un premier modèle de ce type de complexe, impliquant trois enzymes de la biosynthèse des flavonoïdes : la dihydroflavonol-4-réductase (DFR), la flavonoïd-3'-hydroxylase (F3’H) et la leucoanthocyanidine réductase (LAR). L'étude de ces complexes moléculaires requiert la mise en œuvre d'une méthodologie multi-échelles basée sur l’utilisation i) de méthodes hybrides QM/MM pour l'étude de la réactivité enzymatique, ii) de simulations de dynamique moléculaire à résolution atomique se déroulant sur des échelles de temps de l'ordre de la microseconde pour estimer des propriétés thermodynamiques et cinétiques, iii) de calculs de docking protéine-protéine en résolution gros grain. L'application des différents niveaux de théorie nous a permis d'établir un premier modèle de métabolon à trois enzymes en interaction avec une membrane cellulaire. / Flavonoids, some natural compounds exhibiting antioxidant properties, are synthesized along enzymatic cascades involving several enzymes. It has been recently proposed that some of these enzymes are involved in the formation of large transient macromolecular edifices, called metabolon, interacting with cellular membrane. Such molecular complexes should allow direct metabolites transfer from one active site to the other (substrate channeling phenomenon), minimizing diffusion time and solvation effects. The present work aims to establish a first model of a metabolon involving 3 enzymes of the flavonoid biosynthesis: the dihydroflavonol 4-reductase (DFR), the flavonoid 3'-hydroxylase (F3'H) and the leucoanthocyanidin reductase (LAR). The study of such large molecular system requires a multiscale approach based on i) hybrid QM/MM methods to decipher enzymatic mechanism, ii) molecular dynamic simulations in microsecond timescale to estimate thermodynamic and kinetic properties and iii) protein-protein docking at coarse-grained resolution. These different levels of theory allow us to establish a first model of a three-enzymes-metabolon in interaction with a model of cellular membrane.