Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière ($pi$) de la phase relative des composantes Zeeman ${theta = phi_{+1} + phi_{-1} - 2 phi_{0}}$. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie. / In this manuscript, we present an experimental study of a Spin 1 Bose gas with antiferromagnetic interactions with ultracold sodium atoms in the F=1 manifold. The three Zeeman components are trapped simultaneously in optical dipole traps. By performing evaporative cooling, we obtain quasi-pure spinor Bose-Einstein condensates of which we study the magnetic properties. There are two types of interactions between the constituents of the system: Contact interactions that do not change the Zeeman populations and spin-exchange contact interactions that do. A competition between Zeeman energy and the spin-exchange energy sets the magnetic ordering in the system.We first study the magnetic phases of spinor Bose-Einstein condensates near zero temperature. The ground state present two phases that are observed by varying the magnetic field (hence the quadratic Zeeman energy) and the magnetization of the sample. In the antiferromagnetic phase, the spin of the sample is purely along the direction of the magnetic field. In the broken-axisymmetry phase, a transverse component appears in order to minimize the Zeeman energy. For zero magnetization, the spinor condensate forms a spin nematic. This state, named in analogy with the liquid crystal nematic phase, is characterized by spin fluctuations orthogonal to a particular axis, with no preferred direction along that axis. In both phases, spin nematic order manifests as a minimization of the transverse spin length that is realized by enforcing a particular value ($pi$) of the relative phase of the Zeeman components $theta = phi_{+1} + phi_{-1} - 2 phi_0$. We measure the transverse spin length by analyzing spin noise after a spin rotation.Second, we study the thermodynamics of an antiferromagnetic spin 1 Bose gas next to the critical temperature for Bose-Einstein condensation. We measure several sequential condensation scenarii depending on the magnetization and the magnetic field. The measured critical temperatures reveal a large effect of interactions when one of the Zeeman component condenses in presence of a condensate in another component. We use a simplified Hartree-Fock theory, neglecting the spin exchange interactions and note a good agreement with our data. However, for low magnetic fields, the thermodynamic phase diagram is strongly modified which raises new open questions about the role of spin exchange interactions at finite temperatures.

Les hydrogels moléculaires avec un réseau de fibres auto-assembles sont utilisés dans différents domaines dont le relargage de médicaments, les senseurs, l’ingénierie tissulaire et la nano-modélisation. Les hydrogels moléculaires à base d’acides biliaires, qui sont une classe de biocomposés d’origine naturelle, montrent une biocompatibilité améliorée et sont de bons candidats pour des applications dans le domaine biomédical. Ces hydrogels présentent une bonne bio-dégradabilité et une diversité fonctionnelle grâce aux faibles interactions supramoléculaires et aux structures chimiques précisément contrôlées. Dans cette thèse, des nouveaux hydrogels moléculaires à base des acides biliaires et leurs dérivés ont été étudiés pour mieux comprendre la relation entre la structure chimique du gélifiant et la formation de gels moléculaires. Un dimère de l'acide cholique avec un groupe diéthylènetriamine est insoluble dans l'eau. Par contre, il peut former des hydrogels grâce à un réseau tri-dimensionnel de fibres en présence de certains acides carboxyliques. L'addition d'acide carboxylique peut protoner le groupe amine secondaire et défaire les interactions intermoléculaires entre les dimères et favoriser la formation des liaisons hydrogènes acide-dimère. Seuls les acides carboxyliques faibles et hydrophiles causent la gélation des dimères. La résistance mécanique des hydrogels formés peut être modifiée par un choix judicieux d'acides. Les interactions hydrophobes et les liaisons hydrogènes entre les chaînes latérales d'acides carboxyliques peuvent améliorer les propriétés mécaniques des hydrogels. La solubilité marginale du complexe acide-dimère a été considérée comme un facteur critique pour la formation d'hydrogels. Un autre système d’hydrogélation à base d’acides biliaires a été développé par l’introduction de dioxyde de carbone (CO2) dans des solutions aqueuses de certains sels d’acides biliaires, qui donne un hydrogel composé de molécules biologiques entièrement naturelles et fournit un réservoir commode du CO2 dans l’eau. Le groupement carboxylate des sels d’acides biliaires peut être partiellement protoné dans les solutions aqueuses, ce qui amène la dissolution marginale dans l’eau et la formation d’hydrogels avec une structure fibreuse. L’aspect et les propriétés mécaniques des hydrogels dépendent de la concentration de CO2. Le bullage avec CO2 pendant une ou deux secondes génère un hydrogel transparent avec des nanofibres. Le bullage supplémentaire forme des hydrogels plus forts. Mais réduit la transparence et la force mécanique des hydrogels. D’ailleurs, les hydrogels transparents ou opaques redeviennent des solutions transparentes quand ils sont chauffés avec bullage de N2. La transition sol-gel est réversible et reproductible. La force mécanique et la transparence des hydrogels peuvent être améliorées par l’addition de sels inorganiques comme NaCl par l’effet de relargage. Toutes les composantes de ces hydrogels sont naturelles, donnant des hydrogels biocompatibles et potentiellement utiles pour des applications dans le domaine biomédical. Le dimère mentionné ci-dessus possède des propriétés d’auto-assemblage dépendamment de sa concentration. Ceci a été étudié en utilisant un sel organique de dimère/acide formique avec un rapport molaire 1/1. Le sel du dimère s’auto-assemble dans l’eau et ainsi forme des nanofibres isolées et mono-dispersées à des concentrations faibles. Les fibres enchevêtrées donnent des réseaux fibreux 3D bien dispersés de façon aléatoire à des concentrations plus élevées. Quand la concentration du sel du dimère est supérieure à la concentration critique de gélation, le réseau fibreux est assez fort pour immobiliser la solution, qui provoque la formation d’un hydrogel isotrope. L’augmentation supplémentaire de la concentration du sel du dimère peut augmenter l’anisotropie de l’hydrogel et former ainsi un hydrogel nématique. La formation de domaines ordonnés des nanofibres alignées donne ces propriétés optiques à l’hydrogel. L’agitation de systèmes aqueux du sel de dimère favorise aussi la formation de nanofibres alignées. / Molecular hydrogels are soft materials formed by the self-assembly of small molecules in aqueous solutions via supramolecular interactions. Although much effort has been made in the past several decades in the study of these hydrogels, the mechanism of their formation remains to be understood and the prediction of their formation is a challenge. The main purpose of this thesis is to develop novel molecular hydrogels derived from bile acids, which are naturally occurring biocompounds, and to find the relationship between the gelator structure and the gelation ability. Two new molecular gelation systems based on bile acids and their derivatives have been developed, which may be useful in biomedical applications. The marginal solubility of the solute in water has been found to be a prerequisite for the formation of such molecular hydrogels. The alignment of the nanofibers in the gels leads to the formation of nematic hydrogels. The first gelation system is based on a cholic acid dimer as a gelator, which has two cholic acid molecules covalently linked by a diethylenetriamine spacer. This dimer is insoluble in water, but it forms hydrogels with 3-D fibrous networks in the presence of selected carboxylic acids. The carboxylic acids protonate the dimer, making it marginally soluble in water to yield hydrogels. Only weak and hydrophilic carboxylic acids were capable of inducing the gelation of the dimer and the mechanical strength of the hydrogels could be varied by judicious choice of the acids. Hydrophobic interactions and hydrogen bonding between the side chains of carboxylic acids improve the mechanical properties of hydrogels. The marginal solubility of the acid-dimer complex is regarded to be the critical factor for the formation of hydrogels. Another hydrogelation system was developed by purging to the aqueous solutions of a series of bile salts with carbon dioxide (CO2), yielding hydrogels made of entire natural biological molecules and providing a convenient storage reservoir of CO2 in water. Bile salts are well dissolved in water, while the solubility of bile acids is limited. The carboxylate group of bile salts may be partially protonated in aqueous solutions by bubbling CO2, making them only marginally soluble in water. This forms fibrous structures. Both the appearance and mechanical properties of the hydrogels depend on the amount of CO2 purged. Bubbling CO2 initially induced the formation of transparent hydrogels with nanofibers. Continued purging with CO2 strengthened the hydrogel mechanically, while further addition of CO2 reduced the transparency and mechanical strength of the hydrogel. Both the transparent and opaque hydrogels reverted to transparent solutions when heated and bubbling N2. The sol-gel transition process was reversible and repeatable. The mechanical strength and transparency of the hydrogels could be improved by adding inorganic salts such as NaCl via a salting-out effect. All the hydrogel components are naturally biological compounds, making such hydrogels biocompatible and potentially useful in biomedical applications. The cholic acid dimer linked with a diethylenetriamine spacer was able to assemble in water and form isolated nanofibers in the presence of certain carboxylic acids at a much lower concentration than the CMC of sodium cholate. These nanofibers entangle with each other to yield well-dispersed and randomly-directed 3-D fibrous networks at higher concentrations. When the concentration of dimer salt is above the minimum gelation concentration, the fibrous network is strong enough to immobilize the solution, leading to the formation of an isotropic hydrogel. Further increase of the dimer salt concentration may transit the hydrogels to be anisotropic, thus the formation of nematic hydrogels. The formation of ordered domains of the aligned nanofibers led to anisotropic optical properties of the hydrogels. Stirring the aqueous systems of dimer salt also promoted the alignment of the nanofibers. These molecular hydrogels with ordered aggregates may be useful in applications such as cell culture and mechano-optical sensing.

Cette thèse est consacrée à l'étude de films minces de cristaux liquides, et en particulier à leurs propriétés de mouillage d'une plaquette de silicium. Nous présentons tout d'abord l'étude d'une transition de mouillage prenant place au voisinage de la transition nématique-isotrope. Nous montrons que l'évolution du paramètre d'étalement de gouttes isotropes en fonction de la température suit une loi d'échelle au voisinage de la transition de mouillage, caractéristique des transitions de phase du second ordre. Au plus près de la transition, il s'avère que la structuration des premières couches moléculaires des gouttes isotropes au contact de la surface solide affecte les propriétés de mouillage à l'échelle macroscopique. De l'autre côté de la transition, des relevés ellipsométriques du profil d'épaisseur des gouttes nématiques en fonction de la température ont permis de mettre en évidence le rôle des propriétés élastiques du cristal liquide dans la transition de mouillage, en relation avec le modèle de "crêpe élastique". Nous discutons ensuite de la stabilité de films nématiques étendus, d'épaisseurs variables, en fonction de la température. Nous avons mis en évidence une épaisseur de stabilité marginale, en dessous de laquelle les films se révèlent instables, dont les variations reflètent celles du paramètre d'ordre nématique. L'étude de la dynamique des structures qui se forment à la surface libre de films instables nous permet de mettre en évidence les parentés entre cette instabilité de surface et le processus de décomposition spinodale dans les mélanges binaires. Enfin, nous présentons une étude expérimentale de la dynamique d'étalement de gouttes smectiques en relation avec le modèle d'écoulement de gouttes stratifiées de de Gennes-Cazabat.

Application a un cristal liquide nématique dans lequel la déformation du directeur est induite soit par un écoulement de poiseuille plan du cristal liquide, soit par application d'un champ électrique. Détermination de l'énergie d'ancrage du nématique en contact avec son support.