Non seulement la structure hiérarchisée du tissu osseux mais aussi son hétérogénéité, son anisotropie et les incertitudes expérimentales de mesures liées aux matériaux vivants rendent en pratique impossible la définition d'un modèle déterministe fiable de ses propriétés matérielles. Dans une démarche d'aide au diagnostic clinique, l'objectif de cette thèse est de développer une modélisation robuste desdites propriétés à l'échelle de l'organe en intégrant l'incertitude expérimentale de mesures.Pour ce-faire, nous avons développé un modèle multi-échelle stochastique basé sur le principe du maximum d'entropie et des méthodes d’homogénéisation en champs moyens (micromécanique) qui s'est montré capable de prédire les propriétés matérielles du tissu osseux à l'échelle de l'organe en prenant en compte les incertitudes expérimentales de données issues de l’imagerie. Dans la perspective d'identifier le mécanisme de propagation de l’incertitude à travers le modèle multi-échelle, plusieurs versions de ce modèle ont été analysées.Le modèle principal utilise comme variables primaires la fraction volumique des constituants essentiels (le minéral, l'eau et le collagène) pour lesquelles une discussion est proposée échelle par échelle en examinant leur effet sur les propriétés effectives à chaque échelle. Cette description est à l’image d'une matryoshka, plus communément appelée poupée russe, via l’aspect multi-échelle. Chaque matryoshka est une série de poupées de tailles décroissantes placées les unes à l'intérieur des autres. Grâce à cette analyse, cette version du modèle a pu être liée de façon directe aux mesures expérimentales issues de l’imagerie médicale que sont la densité minérale du tissu (TMD) et la porosité haversienne (HP) de l'os cortical lors d’une calibration à l’échelle millimétrique. Cette version a été validée en utilisant plusieurs méthodes numériques telles que la méthode aux éléments finis et la méthode de la transformée de Fourier rapide. On a ainsi pu non seulement évaluer la précision de la méthode proposée mais aussi analyser le processus de transfert d'incertitudes entre les échelles.Enfin, la modélisation stochastique de l'os cortical a été complétée en introduisant des champs de tenseurs d’élasticité des matériaux impliqués dans le processus d’homogénéisation pour l’obtention des propriétés effectives. L’incertitude est introduite via un tenseur aléatoire et se propage spatialement en respectant des longueurs de corrélation et en une suite de réalisations. Ici encore, cette approche peut être vue comme une déclinaison des matryoshka via les champs de tenseurs d’élasticité qui se déclinent dans la procédure stochastique / The hierarchical structure of bone tissues, as well as the heterogeneity and anisotropy of its physical properties and the uncertainty on in vivo experimental measures make it impossible to establish a deterministic reliable model of bone mechanical properties. Aiming at providing a valuable aide to diagnostics in orthopaedic, the purpose of this thesis is to develop a robust mechanical model able to account for the experimental uncertainty.Therefore we developed a multi-scale stochastic model, based on continuum micromechanics and maximum entropy principle which has proved effective predicting the heterogeneous and anisotropic elastic properties of bone tissue at the organ scale accounting for experimental uncertainty affecting image-based input data.Aiming to clarify the mechanism of propagation of these uncertainties through the chosen principal multi-scale model, others versions have been analyzed. First, the principal model, which uses the volume fractions of the essential constituents (mineral, water, collagen), as primary variables, has been analyzed scale-by-scale (mineral foam, ultra-structure, cortical bone). The effect of the chosen homogenization methods and volume fractions on the resulting composites (as layers of a random Matryoshka) have been discussed. Thanks to this analysis, this model has been simplified and relied directly to the measures straightly accessible form medical imaging of the bone: the tissue mineral density (TMD) and the haversian porosity (HP) and their calibration at millimeter scale. This version of the stochastic model, proved to be as accurate as the proceeding one and, more effective in the description of the bone.Finally, the stochastic model of bone has been completed with the direct modeling of the elastic tensors of the involved materials. For this purpose, the random matrix theory has been applied. This theory can be seen as another declination of the Matryoshka paradigm. In this case, the uncertainty on the random tensor propagate from the inside (random germ) to outside (each layer of random matrix) through a suitable sequence of nonlinear operations. Thanks to the proposed decomposition, at once, the isotropic material class of the resulting material and his spatial variability has been included in the model

La stérilisation déstabilisant les protéines laitières acidifiées, des stabilisants sont généralement ajoutés. L’objectif de cette thèse était de comprendre les mécanismes physico-chimiques induits par l’acidification de formules laitières puis de rechercher des voies de stabilisation clean label pour les caséines acidifiées et traitées UHT. Des analyses décrivant la minéralisation, la charge de surface, l’hydratation et les modifications chimiques des caséines ont été mises en œuvre pour étudier leur stabilité.À l’échelle pilote, les caséines étaient plus stables à pH > 5,8 (entre pH 6,7 et 3,7), à basse température (8 versus 42°C), dans une formule riche en protéines (7 versus 3,2 %) et acidifiées par acide citrique (versus lactique). La meilleure stabilité dans ces conditions (parmi 140 combinaisons) s’expliquerait par des diminutions de répulsions électrostatiques, hydrophobes et de diffusion ainsi que par des augmentations de pouvoir tampon et de calcium chélaté par le citrate.Cependant, un traitement de 120°C / 15 s déstabilisait les micelles de caséines dès pH 6,2. L’ajout de matière grasse n’apportait pas d’amélioration. La lactosylation a ensuite été étudiée pour diminuer le pHi des caséines et donc les stabiliser à pH acide. Un prétraitement thermique (90°C / 60 min) à pH 7,5 avec du lactose leur a été appliqué dans différents environnements physico-chimiques. Les niveaux de lactosylation des caséines en milieu dilué étaient faibles mais augmentés avec une forte concentration en lactose (150 g/L) ou en milieu sec. Ce prétraitement appliqué en présence d’une concentration élevée en caséines (50 g/L) ou en minéraux -teneur en perméat triplée) améliorait davantage la stabilisation thermique des protéines acidifiées que la lactosylation seule. Cela s'exliquerait par un pouvoir tampon supérieur lié à cet environnement plus riche. / As sterilization destabilizes acidified dairy proteins, stabilizers are usually added. The objective of this thesis was to understand the physicochemical mechanisms induced by the acidification of dairy formulas and to look for clean label solutions to stabilize for acidified and heat treated caseins. To study their stability, the mineralization, surface charge, hydration and chemical modifications of caseins were characterized.At the pilot scale, caseins were more stable at pH > 5.8 (between pH 6.7 and 3.7), low temperature (8 versus 42°C), in formulas which were enriched in proteins (7 versus 3.2 %) and acidified with citric acid (versus lactic). This set of conditions (amid 140 combinations) would be the best to preserve the stability of proteins because it would correspond to a decrease of electrostatic and hydrophobic repulsions and of diffusion and to an increase of buffer strength and of citrate-chelated calcium content.However, a heat treatment at 120°C during 15 s destabilized casein micelles from pH 6.2 whatever the set of conditions. Adding fat did not bring any improvement.Next, lactosylation was studied to decrease the pHi of caseins so as to stabilize them at acidic pH. A heat pretreatment (90°C/60 min) at pH 7.5 in the presence of lactose was applied to casein micelles in several physicochemical environments. Lactosylation rates of casein in aqueous conditions were low but they were increased with high lactose content (150 g/L) or in dry conditions. This heat pretreatment, implemented with a high casein (50 g/L) or mineral (triple-concentrated permeate content) concentration improved even more the heat stability of acidified proteins than lactosylation only. This could be explained by higher buffer strength due to this richer environnement

Le contrôle et à la maîtrise de l’état des surfaces est un besoin majeur pour les industriels. De nombreuses études sur les interactions entre la morphologie de surface et les mécanismes physiques, chimiques ou mécaniques, ont été réalisées. Cependant une caractérisation plus précise en fonction des domaines et des besoins est nécessaire. Elle consiste à chercher les paramètres de rugosité les plus pertinents qui relient la topographie d’une surface aux phénomènes physiques qu’elle subit ou aux propriétés du matériau dont elle composé.Dans ce travail, un logiciel pour caractériser l’état de surface a été développé. Cet outil nommé « MesRug » permet de calculer des paramètres de rugosité et d’extraire les plus pertinents ainsi que de définir l’échelle la plus adéquate pour une application donnée. La recherche des paramètres les plus pertinent se fait par une approche statistique (l'analyse de la variance ‘ANOVA’ combinée avec la théorie du Bootstrap).Une caractérisation a été effectuée en utilisant des données de mesures (2D) sur des surfaces abrasives. L’influence de la forme des ondelettes discrètes et continues sur la détection de l’échelle pertinente du mécanisme d’abrasion a été testée. On déduit que la décomposition en ondelettes permet de quantifier et de localiser les échelles de l'abrasion des processus d'usinage pour tous les paramètres du processus. Cependant, la pertinence de caractériser les échelles appropriées d'abrasion ne dépend pas de la forme de l'ondelette.Dans ce travail, un nouveau paramètre de rugosité 3D est proposé pour quantifier la régularité d'une surface indépendamment de l'amplitude et des unités de longueur de balayage. L'efficacité de ce paramètre est testée sur des surfaces périodiques bruitées avec différents degrés d'anisotropie. La valeur de ce paramètre est comprise entre zéro (bruit parfait) et 100% (surface sinusoïdale parfaite). Il nous a permis de détecter les directions d'anisotropie de régularité pour une surface donnée. / Monitoring and control of the state of the surfaces is a major need for industry. Numerous studies on the interactions between the surface morphology and the physical, chemical or mechanical mechanisms have been conducted. However, a more precise characterization related to industrial domains and needs is necessary. It consists in finding the most relevant roughness parameters that connect the topography of a surface with the physical phenomena which it undergoes or in the properties of the material of which it consisted.In this work, a software designed to characterize the surface condition was developed. This tool named "MesRug" allows to calculate roughness parameters then extract the most relevant ones and to define the most appropriate scale for a given application. The search for the most relevant parameters is done by a statistical approach (analysis of variance ANOVA combined with the theory of Bootstrap).A characterization was performed using (2D) data of measurement on abrasive surfaces. The influence of the form of discrete and continuous wavelet on the detection on the relevant scale mechanism of the abrasion was tested. We conclude that the wavelet decomposition allows to quantify and localize the scales of abrasion of the machining process for all process parameters. However, the relevance of appropriate scales to characterize abrasion does not depend on the shape of the wavelet.In this work, a new 3D roughness parameter is proposed to quantify the smoothness of a surface, independently of the amplitude and the scanning length units of the surface. The efficiency of this parameter is tested on noisy periodic surfaces with varying degrees of anisotropy. The value of this parameter is between zero (perfect sound) and 100 % (sine perfect surface). It enables us to identify the anisotropy directions of regularity for a given surface.

La neuroplasticité (NP), définie comme la capacité du système nerveux à s’adapter aux changements environnementaux, est un phénomène intrinsèque au fonctionnement cérébral et essentiel à son homéostasie. La NP est par définition impliquée dans toutes les maladies du cerveau dont les troubles psychiatriques. Différents troubles psychiatriques peuvent être utilisés comme autant de modèles pour étudier les différentes facettes de la NP de façon translationnelle : du moléculaire au comportemental permettant alors d'améliorer la compréhension de la régulation de la NP et de son implication dans l'étiopathogénie des troubles psychiatriques et de leurs traitements.La neuroplasticité individu-dépendante−La NP individu-dépendante permet de concevoir les gènes impliqués dans les troubles psychiatriques comme des gènes de sensibilité à l’environnement plutôt que comme des gènes de vulnérabilité aux maladies. Ainsi, tous les sujets n’ont pas la même sensibilité à l’environnement. Si l'on considère les gènes de vulnérabilité aux maladies comme des gènes de sensibilité à l’environnement, également appelés gènes de plasticité, les individus qui les portent présentent logiquement une susceptibilité plus grande à l'environnement qu'il soit "négatif" (ex.: maltraitance infantile) ou "positif" (ex.: environnement enrichissant). Ce concept a été proposé dans un modèle intégratif d'un trouble psychiatrique très fréquent: le trouble de personnalité borderline.La neuroplasticité âge-dépendante−La NP opère tout au long de la vie mais est régulée différemment selon les périodes de développement. Ces modifications liées à l’âge sont non seulement quantitatives (nombre de neurones impliqués) mais également qualitatives (type de modification). La régulation neuroplastique est donc dépendante de l'âge et entraine des conséquences comportementales différentes selon l'âge de survenue d'un évènement ou d'une expérience. La dimension âge-dépendante de la NP permet d'apporter un nouveau regard sur l'étiopathogénie des troubles psychiatriques, notamment sur les liens entre le trouble de personnalité borderline (TPB) et l’état de stress post-traumatique. Nous avons réalisé une étude génétique d'association, avec réplication interne, sur des gènes impliqués dans la régulation de l'axe du stress dans le TPB d'après l'hypothèse que le TPB et le PTSD constitueraient une seule et même entité dont la principale différence étiologique serait l'âge de survenue du traumatisme.La neuroplasticité symptôme dépendante−Les modifications neuroplastiques chez des sujets adultes sains ont été mises en évidence dans plusieurs types de situations. L'aspect adaptatif de la NP peut également être impliqué dans la pathogenèse d'un trouble, on parle d'adaptation plastique à la pathologie. Cet aspect a été étudié dans un symptôme psychiatrique fréquent : l'hallucination, définie comme une perception sans objet et nous avons proposé la première étude de neuroimagerie multimodale chez des patients souffrant de schizophrénie présentant des hallucinations visuelles. L'objectif de cette étude était d'étudier la connectivité du complexe hippocampique (HC) selon la modalité hallucinatoire, i.e. auditive ou visuelle dans deux groupes de patients souffrant de schizophrénie: un groupe avec uniquement des hallucinations auditives (AH) et un groupe avec des hallucinations audio-visuelles. Des différences de connectivité ont été mises en évidence sur la voie mésolimbique et entre aires visuelles et complexe hippocampique. La présence d’hallucinations visuelles est également associée à des modifications plastiques du volume et de la forme de l’hippocampe et nos résultats sont compatibles avec des modifications symptômes-dépendantes de cette structure. [...] / The study of the neuroplasticity (NP) has been emphasized to improve the comprehension of pathophysiology of psychiatric disorders, including biomarkers for predicting and monitoring treatment response. NP can be defined as the ability of the nervous system to respond to intrinsic or extrinsic stimuli by reorganizing its structure, function and connections and can be described from a translational perspective at many levels, from molecular to cellular to systems to behaviour. Psychiatric disorders are characterized by a high degree of heterogeneity (pathophysiological, etiologic and clinical levels) which can be conceived as an advantage when examined from the perspective of the NP. In fact, psychiatric disorders can be used as models to study the different aspects of the NP.Individual-dependent plasticity−The lack of susceptibility genes related to several psychiatric disorders may be due to tendency to look for genetic effects on disease rather than genetic effects on vulnerability to environmental causes of disease. In fact, \\\"vulnerability genes\\\" may function more like \\\"plasticity genes\\\", resulting in greater susceptibility of individuals to both positive (e.g., environmental support and enrichment) and negative (e.g., childhood maltreatment) facets of environmental experiences. This concept has been proposed in an integrative model of a frequent psychiatric disorder : the borderline personality disorder (BPD). Age-dependent plasticity−There are qualitatively and quantitatively different changes in the brain in re¬sponse to what appears to be the same experience at dif¬ferent ages. This aspect of NP has been studied by using the \\\"Borderline Personality or Complex Posttraumatic Stress Disorder controversy\\\" with a genetic association study, with independent replication, on genes associated with the physiological response to stress in the hypothalamic–pituitary–adrenal (HPA) axis. Symptom-dependent plasticity−Adaptative neuroplastic modifications in the structure and function of the human brain in response to environmental demands have been showed in numerous situations in healthy controls. Interestingly, NP have also been associated to adaptation to pathology in several psychiatric disorders. A recent example has been provided by the study of visual hallucinations in schizophrenia patients. Hallucinations can be defined as perceptions in the absence of external stimuli. In schizophrenia, hallucinations constitute the most typical and disabling symptoms of the disorder and may manifest in all sensory modalities. Several MRI findings support the hypothesis that distinct patterns of connectivity, particularly within networks involving the hippocampal complex (HC), could be associated with different hallucinatory modalities. The aim of our study was to investigate HC connectivity as a function of the hallucinatory modality, i.e., auditory or visual in two carefully selected subgroups of schizophrenia patients with only auditory hallucinations (AH) or with audio-visual hallucinations (A+VH). Hippocampal volume and shape analysis showed localized hippocampal hypertrophy in the A+VH group. These structural findings indicate that plastic changes are associated with hallucinations. Indeed, the hippocampus is capable of plastic deformation, and the present findings are consistent with experience-dependent shape modifications of the hippocampus that involve mechanical tension along the axon.This PhD thesis highlights several arguments that the NP perspective provide new insights to the pathophysiology, to improve and emphasize therapeutic innovation of psychiatric disorders.

Dans le cadre de l'élasticité linéaire 3D des microstructures complexes qui ne peuvent pas être simplement décrites en terme de constituants telles que des tissus biologiques, nous proposons, dans ce travail de recherche, une méthodologie d'identification expérimentale multi-échelle du champ stochastique d'élasticité apparent de la microstructure à l'échelle mésoscopique en utilisant des mesures de champ de déplacements aux échelles macroscopique et mésoscopique. On peut alors utiliser cette méthodologie dans le cadre de changement d'échelle pour obtenir des propriétés mécaniques à l'échelle macroscopique. Dans ce contexte, la question majeure est celle de l'identification expérimentale par résolution d'un problème statistique inverse de la modélisation stochastique introduite pour le champ d'élasticité apparent à l'échelle mésoscopique. Cette identification expérimentale permet non seulement de valider la modélisation mais encore de la rendre utile pour des matériaux existants ayant une microstructure complexe. Le présent travail de recherche est une contribution proposée dans ce cadre pour lequel l'expérimentation et validation expérimentale basée sur des mesures simultanées d'imagerie de champ aux échelles macroscopique et mésoscopique sont faites sur de l'os cortical / In the framework of linear elasticity 3D for complex microstructures that cannot be simply described in terms of components such as biological tissues, we propose, in this research work, a methodology for multiscale experimental identification of the apparent elasticity random field of the microstructure at mesoscopic scale using displacement field measurements at macroscopic scale and mesoscopic scale. We can then use this methodology in the case of changing scale to obtain the mechanical properties at macroscale. In this context, the major issue is the experimental identification by solving a statistical inverse problem of the stochastic modeling introduced for the apparent elasticity random field at mesoscale. This experimental identification allows to validate the modeling and makes it useful for existing materials with complex microstructures. This research work is proposed in this context in which experimentation and experimental validation based on simultaneous measurements of field imaging at macroscale and mesoscale are made on the cortical bonemakes it useful for existing materials with complex microstructures. This research work is proposed in this context in which experimentation and experimental validation based on simultaneous measurements of field imaging at macroscale and mesoscale are made on the cortical bone.

La magnétorésistance anisotrope (AMR) des matériaux ferromagnétiques est largement utilisée comme le phénomène de base pour la mesure ou la détection de champ magnétique. En raison de la relation entre la configuration en domaines magnétiques et la résistivité macroscopique, l'application d'un champ magnétique externe modifie la résistivité des matériaux ferromagnétiques. Bien que cet effet soit largement utilisé dans des applications industrielles, certains aspects fondamentaux du comportement AMR sont encore assez mal compris. Par exemple, le rôle de la texture cristallographique dans le comportement effectif n'est pas décrit avec précision par les outils classiques de modélisation. En raison de ce lien direct entre la microstructure en domaines et l'effet AMR, les modèles de description de l'effet AMR reposent généralement sur des calculs micromagnétiques. Pour ces calculs, le nombre de degrés de liberté et d'interactions peuvent se multiplier rapidement si on recherche à décrire un comportement macroscopique (cas des polycristaux par exemple).La thèse porte sur la modélisation numérique de l'effet de magnétorésistance anisotrope des matériaux ferromagnétiques. Ce nouvel outil de modélisation 3D peut remédier à cet inconvénient majeur des approches micromagnétiques. Un modèle permettant de décrire les effets de couplage magnéto-élastique en utilisant une approche micro-macro est disponible au laboratoire GeePs. Sur la base des mêmes principes de la modélisation micro-macro, un outil de simulation de l'effet AMR en fonction de la contrainte mécanique et de la texture cristallographique des matériaux a été développé.La stratégie de modélisation est la suivante:Trois échelles de description du comportement sont introduites: le Volume Elémentaire Représentatif (VER) polycristallin (échelle macro), le monocristal ou grain, et enfin le domaine magnétique (échelle micro).Une première étape dite de localisation permet de déterminer le chargement magnéto-mécanique (champ magnétique et contrainte mécanique) à l'échelle d'un grain en fonction du chargement extérieur appliqué. L'introduction de variables internes et des lois d'évolution correspondantes permet de décrire de façon statistique l'évolution de la microstructure en domaines magnétiques sous l'influence de ce chargement local. Toujours à cette échelle, l'utilisation du modèle phénoménologique de Doring permet, pour chaque domaine, de calculer la résistivité en fonction de l'orientation relative entre aimantation locale et courant électrique. Une fois cette résistivité locale connue, une étape dite d'homogénéisation s'appuyant sur le modèle de Bruggeman permet de déterminer la résistivité macroscopique du VER polycristallin. Il est ainsi possible de prédire la variation de la résistivité entre un état initial désaimanté et un état sous chargement magnéto-mécanique quelconque.Les résultats obtenus par cette démarche ont été comparés avec succès à des résultats expérimentaux extraits de la littérature portant sur des polycristaux de Nickel, de Fer pur ou encore de Permalloy.Ensuite des simulations reproduisant les conditions de fonctionnement des capteurs AMR ont été effectuées. Ces simulations permettent de conclure qu'il est possible d'améliorer la sensibilité des capteurs AMR en générant une contrainte résiduelle biaxiale. / The anisotropic magnetoresistance (AMR) of ferromagnetic materials is widely used as the basic phenomenon for measuring or detecting magnetic field. Owing to the relationship between magnetic domain configuration and macroscopic resistivity, the application of an external magnetic field changes the resistivity of ferromagnetic materials. Although this effect is widely used in industrial applications, some basic aspects of AMR behavior are still unsufficiently understood. For example, the role of crystallographic texture is not accurately described by conventional modeling tools. As a consequence of the direct relationship between microstructure and AMR, models for AMR effect are generally based on micromagnetic calculations. For these calculations, the number of degrees of freedom and interactions can grow exponentially when investigating macroscopic behavior (case of polycrystals for example).The thesis deals with the numerical modeling of AMR effect in ferromagnetic materials. This new 3D modeling tool can overcome this major drawback of micromagnetic approaches. A model to describe the effects of magneto-elastic coupling using a micro-macro approach is available at the laboratory GeePs. Based on the same principles of micro-macro modeling, an AMR effect simulation tool has been developed including the effect of mechanical stress and the role of crystallographic texture of materials.The modeling strategy is as follows:Three scales of description of the behavior are introduced: the Representative Volume Element (RVE) of polycrystals (macro scale), the single crystal or grain, and finally the magnetic domain (micro scale).A first step, named localization, determines the magneto-mechanical loading (magnetic field and mechanical stress) within a grain depending on the external applied load. The introduction of internal variables and corresponding evolution laws allow describing in a statistical way the evolution of the magnetic domain microstructure under the influence of the local load. Also at this scale, the use of the phenomenological Doring model allows for each area, to calculate the resistivity as a function of the relative orientation between local magnetization and electric current. Once this local resistivity is known, a so-called homogenization step based on the Bruggeman model is used to determine the macroscopic resistivity of the RVE. It is thus possible to predict the variation in resistivity between an initial demagnetized state and a state under any magneto-mechanical loading.The results obtained by this approach were successfully compared to experimental results from literature on polycrystalline nickel, pure iron or Permalloy.Then simulations reproducing AMR sensors operating conditions were carried out. These simulations lead to the conclusion that it is possible to improve the sensitivity of AMR sensors by introducing an appropriate biaxial residual stress.

Les matériaux à changement de phase (MCP) constituent une alternative prometteuse pour l'amélioration de l'inertie thermique des matériaux de construction. Grâce à leur chaleur latente, ces matériaux permettent de stocker des quantités importantes d'énergie thermique, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie liée au chauffage et à la climatisation. Cependant, leur incorporation dans les matériaux cimentaires entraine une baisse de la résistance mécanique du nouveau matériau composite ainsi obtenu. Durant ces dernières décennies, les composites MCP/bétons ont suscité un grand intérêt conduisant à un grand nombre de travaux expérimentaux. Cependant, les modèles théoriques et numériques pour prédire les comportements de ces matériaux complexes sont aujourd'hui très peu développés en raison de la complexité du comportement thermique avec changement de phase, de la séparation d'échelle et de la difficulté que représente la prédiction de l'endommagement par fissuration à l'échelle des hétérogénéités microscopiques. L'objectif de cette thèse est précisément de développer des outils de modélisation numériques pour prédire le comportement thermomécanique effectif du matériau en vue de calculs de structures. Pour cela, des modèles numériques sont développés pour simuler le transfert de chaleur, le comportement mécanique, la fissuration ainsi que la fuite du MCP liquide à travers les fissures, à l'échelle d'un Volume Elémentaire Représentatif du matériau. Après avoir étudié les effets des changements de phase dans le MCP sur le comportement mécanique effectif, une approche multi-échelle (méthode EF²$) est proposée afin de réaliser des calculs de structures en tenant compte des phénomènes à l'échelle des micro capsules. Des caractérisations expérimentales thermo-physiques sont menées afin de prouver l'utilité des MCP dans les matériaux de construction et de faire des comparaisons avec les outils d'homogénéisation développés. Enfin, nous proposons une étude dans le but de comprendre et d'évaluer les effets du MCP dans la dégradation des propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux / A promising way to enhance thermal inertia of buildings is the use of phase change materials (PCMs). Thanks to their high latent heat, PCMs can be used to store a significant amount of thermal energy in order to reduce energy consumption related to air conditioning. However, their use leads to a decrease in the mechanical strength of the obtained composites. During the last decades, the incorporation of PCMs in concrete has been of great interest leading to many experimental works. However, theoretical and numerical models to predict the behavior of such complex materials are not developed so far, due to the complexity of the phase change behavior, the scale separation and issues associated to the damage which is mainly induced by microcracking at the scale of microstructural heterogeneities. The objective of this thesis is precisely to develop numerical modeling tools to predict the effective thermomechanical behavior of the material with aim of structural calculations. For this purpose, numerical tools based on microstructures at the scale of microencapsulated PCM are developed to simulate heat transfer, mechanical response, cracks propagation as well as leakage of liquid PCM through cracks. After studying the effects of phase changes in the PCM on the effective mechanical response of the composites, a multi-scale approach (FE² method) is proposed to carry out structural calculations taking into account phenomena at micro scale. Thermo-physical experimental characterizations are carried out to show the usefulness of PCMs in building materials and to make comparisons with the developed homogenization tools. Finally, we propose a study to understand and evaluate the effects of PCMs in the degradation of the mechanical properties of these new materials

Cette thèse explore les dernières évolutions du débruitage d'images, et elle essaie de développer une vision synthétique des techniques utilisées jusqu'à présent. Elle aboutit à un nouvel algorithme de débruitage d'image évitant les artefacts et avec un meilleur PSNR que tous les algorithmes que nous avons pu évaluer. La première méthode que nous présentons est DA3D, un algorithme de débruitage fréquentiel avec guide, inspiré de DDID. La surprise de cet algorithme, c'est que le débruitage fréquentiel peut battre l'état de l'art sans produire artefacts. Cet algorithme produit des bons résultats non seulement en PSNR, mais aussi (et surtout) en qualité visuelle. DA3D marche particulièrement bien pour améliorer les textures des images et pour enlever les effets de staircasing.DA3D, guidé par un autre algorithme de débruitage améliore presque toujours le résultat de son guide. L'amélioration est particulièrement nette quand le guide est un algorithme à patchs, et alors on combine deux principes différents: auto-similarité suivi de seuillage fréquentiel. Le deuxième résultat présenté est une méthode universelle de débruitage multi-échelle, applicable à tout algorithme. Une analyse qualitative montre en effet que les algorithmes de débruitage à patchs éliminent surtout les hautes fréquences du bruit, à cause de la taille limitée des voisinages traités. Plutôt que d'agrandir ces voisinages nous décomposons l'image en une pyramide basée sur la transformée en cosinus discrète, avec une méthode de recomposition évitant le ringing. Cette méthode traite le bruit à basse fréquence, et améliore la qualité de l'image. Le troisième problème sérieux que nous abordons est l'évaluation des algorithmes de débruitage. Il est bien connu que le PSNR n'est pas un indice suffisant de qualité. Un artefact sur une zone lisse de l'image est bien plus visible qu'une altération en zone texturée. Nous proposons une nouvelle métrique basée sur un Smooth PSNR et un Texture PSNR, pour mesurer les résultats d'un algorithme sur ces deux types des régions. Il apparaît qu'un algorithme de débruitage, pour être considéré acceptable, doit avoir des bons résultats pour les deux métriques. Ces métriques sont finalement utilisées pour comparer les algorithmes de l'état de l'art avec notre algorithme final, qui combine les bénéfices du multi-échelle et du filtrage fréquentiel guidé. Les résultats étant très positifs, nous espérons que la thèse contribue à résoudre un vieux dilemme, pour lequel la méthode DDID avait apporté de précieuses indications : comment choisir entre le seuillage fréquentiel et les méthodes basées sur l'auto-similarité pour le débruitage d'images ? La réponse est qu'il ne faut pas choisir. Cette thèse termine avec quelques perspectives sur la faisabilité du débruitage "externe". Son principe est de débruiter un patch en utilisant une grande base de données externe de patches sans bruit. Un principe bayésien démontré par Levin et Nadler en 2011 implique que le meilleur résultat possible serait atteint avec cette méthode, à condition d'utiliser tous les patches observables. Nous donnons les arguments mathématiques prouvant que l'espace des patches peut être factorisé, ce qui permet de réduire la base de données de patches utilisés d'un facteur au moins 1000. / This thesis explores the last evolutions on image denoising, and attempts to set a new and more coherent background regarding the different techniques involved. In consequence, it also presents a new image denoising algorithm with minimal artifacts and the best PSNR performance known so far.A first result that is presented is DA3D, a frequency-based guided denoising algorithm inspired form DDID [Knaus-Zwicker 2013]. This demonstrates that, contrarily to what was thought, frequency-based denoising can beat state-of-the-art algorithms without presenting artifacts. This algorithm achieves good results not only in terms of PSNR, but also (and especially) with respect to visual quality. DA3D works particularly well on enhancing the textures of the images and removing staircasing effects.DA3D works on top of another denoising algorithm, that is used as a guide, and almost always improve its results. In this way, frequency-based denoising can be applied on top of patch-based denoising algorithms, resulting on a hybrid method that keeps the strengths of both. The second result presented is Multi-Scale Denoising, a framework that allows to apply any denoising algorithm on a multi-scale fashion. A qualitative analysis shows that current denoising algorithms behave better on high-frequency noise. This is due to the relatively small size of patches and search windows currently used. Instead of enlarging those patches, that can cause other sorts of problems, the work proposes to decompose the image on a pyramid, with the aid of the Discrete Cosine Transformation. A quantitative study is performed to recompose this pyramid in order to avoid the appearance of ringing artifacts. This method removes most of the low-frequency noise, and improves both PSNR and visual results for smooth and textured areas.A third main issue addressed in this thesis is the evaluation of denoising algorithms. Experiences indicate that PSNR is not always a good indicator of visual quality for denoising algorithms, since, for example, an artifact on a smooth area can be more noticeable than a subtle change in a texture. A new metric is proposed to improve on this matter. Instead of a single value, a ``Smooth PNSR'' and a ``Texture PSNR'' are presented, to measure the result of an algorithm for those two types of image regions. We claim that a denoising algorithm, in order to be considered acceptable, must at least perform well with respect to both metrics. Following this claim, an analysis of current algorithms is performed, and it is compared with the combined results of the Multi-Scale Framework and DA3D.We found that the optimal solution for image denoising is the application of a frequency shrinkage, applied to regular regions only, while a multiscale patch based method serves as guide. This seems to resolve a long standing question for which DDID gave the first clue: what is the respective role of frequency shrinkage and self-similarity based methods for image denoising? We describe an image denoising algorithm that seems to perform better in quality and PSNR than any other based on the right combination of both denoising principles. In addition, a study on the feasibility of external denoising is carried, where images are denoised by means of a big database of external noiseless patches. This follows a work of Levin and Nadler, in 2011, that claims that state-of-the-art results are achieved with this method if a large enough database is used. In the thesis it is shown that, with some observation, the space of all patches can be factorized, thereby reducing the number of patches needed in order to achieve this result. Finally, secondary results are presented. A brief study of how to apply denoising algorithms on real RAW images is performed. An improved, better performing version of the Non-Local Bayes algorithm is presented, together with a two-step version of DCT Denoising. The latter is interesting for its extreme simplicity and for its speed.

Les films de simulations qui accompagnent le document ont été réalisés avec Pymol. / Les protéines accomplissent leur fonction dans la cellule grâce à leur faculté de changer de forme. Chaque classe de protéines peut se caractériser par une structure spécia- lisée partagée par ses membres avec un certain degré de variabilité. Tel est le cas des protéines à motifs mains-EF, qui se transforment en liant et déliant l ’ion calcium. Ce motif permet à la Troponin C de s’ouvrir et se refermer afin de moduler le mécanisme de contraction des fibres musculaires. Un mécanisme similaire permet à la Calmoduline de gérer l’activité de divers canaux cellulaires. Les techniques de simulations numériques peuvent aider à comprendre les trajectoires de ces transformations. Le projet principal de cette thèse consistait à développer une méthode informatique multi-échelle permettant de simuler des mouvements complexes à l’intérieur d ’une protéine. La représentation multi-échelle développée peut changer et s’adapter en cours de simulation. La méthode, ART holographique, explore l’espace en générant des basculements d’ensembles atomiques, selon des champs de force atomistiques non biaisés indiquant à tout moment comment les ensembles doivent pivoter. La méthode réduit le calcul des fluctuations locales mais conserve une représentation spatiale complète. La représentation multi-échelle est combinée à une technique de recherche de passages de transition énergétiquement favorables, ART nouveau, qui conduit la trajectoire moléculaire d ’étape en étape. Appliquée à plusieurs protéines, dont la Calmodulin et la Troponin C, ART holographique génère des trajectoires de transformation entre des conformations distantes de celles-ci, déjà connues grâce aux techniques de RMN ou de cristallographie. L’usage d ’une représentation spatiale complète tout au long de la simulation favorise le discernement de certains détails des mécanismes. Le rôle, l’ordre d ’intervention, ainsi que la coopérativité de certains résidus et structures impliqués dans le mécanisme des paires main-EF ont été explorés plus en détail et un état intermédiaire est proposé. / Proteins accomplish their function inside cells by means of conformational changes. Each protein class may be characterized by a specialized structure shared by its members with some variability. EF-hands proteins present a special motif which transforms itself while binding or unbinding the calcium ion. This structure allows Troponin C domains to open and close as it modulates the muscular fibers contraction. A similar mechanism allow Calmodulin to manage the activity of a diversity of protein channels. Computational techniques may help discover how these transformations occur. The main project of this thesis was the development of a multi-scale computational method for the simulation of complex motions inside a protein. The multi-scale approach is designed to adapt and change all along the simulation. The method, holographic ART, explore conformational space by generating swiveling and rotation of atomic ensembles, leaded by non biased atomistic forcefields. This determines at each step the overall motion, keeping a complete spatial representation, but with minimal local fluctuations computation. The multi-scale representation is combined with a unbiased open ended algorithm for identifying transitions states, ART nouveau, which guides the molecular trajectory from state to state. Applied to several proteins, the method was able to generate transforma- tion trajectories between distant conformations known from NMR and crystallography techniques. The use of a complete spatial representation throughout the simulation allows the method to capture atomistic details of each event. The purpose, the intervention order, as well as cooperativity between some residues and sub-structures involved in the EF-hand pair mechanism have been explored more in detail and an intermediate state is proposed.

De nombreuses applications industrielles mettent en évidence l’importance des propriétés de mouillage des surfaces métalliques que ce soit directement pour les propriétés d’écoulement de fluides sur ces surfaces ou indirectement pour leur lien avec les phénomènes d’adhésion. Les travaux de Wenzel (1936) et de Cassie -Baxter (1944) ont montré que cette mouillabilité dépendait à la fois de la tension superficielle du solide mais aussi de sa topographie de surface. Ainsi la maîtrise et l’optimisation de ces propriétés nécessitent le contrôle de ces deux aspects, à l’image de la feuille de lotus dont le caractère super-hydrophobe réside à la fois en la présence d’une cire hydrophobe et d’une rugosité multi-échelle. Ces observations sont à l’origine, cette dernière décennie, du développement des techniques de gravures chimiques pour réaliser des texturations superficielles de matériaux et contrôler leur mouillabilité. Afin de surmonter certaines limitations de ces techniques et privilégier un procédé par voie sèche, nous avons envisagé de structurer la surface d’alliages métalliques de titane, d’aluminium, et de différents aciers inoxydables, au moyen d’un traitement de surface par laser femtoseconde. L’analyse topographique de la surface des matériaux (profilométrie optique, AFM, MEB) en fonction des paramètres d’irradiation du laser comme la densité de puissance laser, le nombre d’impulsions et le décalage latéral du faisceau en configuration balayage, a montré l’efficacité de ce procédé pour générer des texturations multi-échelles. Les différentes morphologies de textures peuvent être associées à des transitions de régimes dans l’interaction laser - matière (ripples, spikes, …). L’analyse chimique et structurale (DRX, XPS) des surfaces traitées a mis en évidence des modifications microstructurales dues aux effets thermiques du laser ainsi qu’une évolution de l’état chimique de la surface dont les effets sur la mouillabilité sont importants. L’hydrophobie des surfaces métalliques a été considérablement accentuée par le traitement laser. Ces résultats pourront être exploités pour différentes applications industrielles notamment comme moyen de contrôler l’état de surface des moules de plasturgie. / Many industrial applications highlight the importance of the wetting properties of metallic surfaces related to their adhesion phenomena. Wenzel’s (1936) and Cassie – Baxter’s (1944) independent works showed that the wettability depended on both the surface tension of the solid but also on its surface topography. Thus the control and optimization of these properties require control of both aspects, like the lotus leaf whose superhydrophobic character lies in the presence of a hydrophobic wax and a multi-scale roughness. These observations are at the origin of the development of chemical etching techniques to produce surface texturing of materials and control their wettability. To overcome some limitations of these techniques and focus on a dry process, we considered the surface texturing of metal alloys of titanium, aluminum, and various stainless steels, using a femtosecond laser surface treatment. The analysis of the topography of the textured surfaces using different techniques (optical profilometry, AFM, SEM) showed the effectiveness of this method for generating multi-scale texturing. The different morphologies of textures can be associated with regimes transitions in the laser - matter interaction (ripples,spikes ...). The chemical and structural analysis (XRD, XPS) of the treated surfaces revealed microstructural changes due to thermal effects of laser, and a shift in the chemical state of the surface whose effects on the wettability are important. The hydrophobicity of metallic surfaces was significantly enhanced by laser treatment. These results may be used for various industrial applications, including the control of the surface state of plastic molds.