L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC). / Electrospinning is a technique that allows production of polymeric fibers with diameters ranging from nanometers to a few microns, and thus with an inherent high surface-to-volume ratio. Electrospun fibers are finding potential applications in drug delivery and tissue engineering, as membranes and chemical sensors, and in nanocomposites and electronic devices. Electrospinning was initially used to prepare disordered, non-woven mats, but it is now possible to produce highly aligned fibers by using different target collectors. However, it is of great interest to not only control the macroscopic alignment of the fibers but also their orientation at the molecular level since it influences the mechanical, optical and electrical properties of polymers. Molecular complexes were targeted as a means of increasing molecular orientation in electrospun fibers. In the host-guest urea inclusion complexes (ICs), polymer chains are packed in one-dimensional channels constructed from an essentially infinite three-dimensional network of hydrogen-bonded urea molecules. The polymer chains are thus highly extended at the molecular scale. PEO-urea complex nanofibers have been prepared for the first time by electrospinning of suspension and solutions. As predicted, an unusually large molecular orientation in the fibers was achieved. Such highly ordered IC fibers could find use both for fundamental studies of the inclusion complexes and for the preparation of hierarchically structured materials. Electrospinning can also sometimes be used to prepare metastable polymeric materials that cannot be prepared by the conventional methods. Here, solution electrospinning was used to prepare fibers of both the stable (α) and "metastable" (β) complexes between PEO and urea. Detailed characterization of the ill-studied β complex reveals that it possesses a 12:8 PEO:urea stoichiometry and belongs to the orthorhombic system with a = 1.907 nm, b = 0.862 nm, and c = 0.773 nm. The PEO chains are oriented along the fiber axis and present a conformation significantly affected by strong hydrogen bonding with urea as compared to the pure polymer and the stable α complex. A layered structure, rather than the conventional channel structure, is suggested. In contrast with previous suggestions based on melt-quenched PEO-urea α complex, our results further indicate that the β complex is thermodynamically stable before melting and can phase-transfer to the α complex and liquid PEO through a thermodynamic melt-recrystallization process at 89 ºC. In contrast, the β complex obtained by melt-quenching the α complex is mixed with urea crystal and is metastable. It can experience a kinetic solid-solid phase transition process to produce α complex within a large temperature range. This transition is induced by a PEO conformation change and by the formation of intermolecular hydrogen bonds between urea and PEO. The phase diagram of the PEO/urea system was drawn over the complete composition range, which allowed interpreting the formation of various out-of-equilibrium mixtures observed experimentally. The structure and phase diagram of the PEO/thiourea complex, another poorly understood system, was also studied in detail. An EO:thiourea molar ratio of 3:2 was deduced for the complex, and a monoclinic unit cell with a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm and β = 92.35º was determined. Just as for the PEO-urea β complex, a layered structure was suggested for the PEO-thiourea complex, in which the thiourea molecules would be arranged into a ribbon-like structure intercalated between two PEO layers. This layered structure could explain the much lower melting temperature of the PEO-thiourea (110 ºC) and PEO-urea β complexes (89 ºC) as compared to the well known channel-structured PEO-urea α complex (143 ºC).

Dans ce travail, nous décrivons les différentes formes, la structure, les propriétés et la croissance catalytique de nanotubes et nanofibres de carbone (Chapitre I). L'hydroxyapatite a été utilisée comme support de la phase active pour la synthèse de nanotubes de carbone multi-feuillet (MWCNTs) et de nanofibres de carbone (CNFs-H) par la technique de dépôt chimique en phase de vapeur catalytique (C-CVD) en lit fluidisé (Chapitre II). Après l'élimination du support par un simple lavage à l'acide chloridrique dilué, une étude théorique et expérimentale de l'oxydation de la surface de nanotubes de carbone par un traitement à l'acide nitrique a permis d'une part d'identifier et de quantifier les groupes formés à la surface de nanostructures carbonées et d'autre part de proposer un mécanisme pour la formation de ces groupes (Chapitre III). Les matériaux résultants après génération des fonctions carboxyliques de surface ont été utilisés comme support de catalyseur. L'hydrogénation du p-halogénonitrobenzène a été choisit comme réaction modèle pour comparer les performances catalytiques de catalyseurs à base de ruthénium en fonction de la nature du support utilisé, MWCNTs ou CNFs-H. L'influence de certains paramètres tels que la température, la nature du substrat et un traitement thermique du catalyseur (activation) est présentée. Une explication des performances catalytiques est proposée après caractérisation du catalyseur par MET, TPD, TPR et PZC (Chapitre IV). Les nanostructures carbonnées produites et caractérisées ont été utilisées comme charge de renforcement d'hydroxyapatites connue comme biomatériaux. Nous avons étudié en particulier la capacité de germination du phosphate octocalcique par la méthode de croissance cristalline à composition constante (C4) (Chapitre V). / In this work, we describe the different forms, the catalytic growth, the structure and properties of carbon nanotubes and nanofibres (Chapter I). Hydroxyapatite was used as catalyst support for the synthesis of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and nanofibres (CNFs) by catalytic chemical vapour deposition (C-CVD) in a fluidized bed reactor (Chapter II). After support removal by washing with diluted hydrochloric acid, a theoretical and experimental study of surface oxidation of carbon nanotubes by nitric acid treatment has been performed. It allows to identify and quantify the groups formed on the surface of carbon nanostructures and also to propose a mechanism for the formation of these groups (Chapter III). The functionalized nanotubes and nanofibers have been used as supports for heterogeneous catalysis. The hydrogenation of p-halonitrobenzene was used as model reaction to compare the catalytic performances of ruthenium supported on MWCNTs or CNFs-H catalysts. The influence of experimental parameters such as temperature, nature of the substrate and prior heat treatment (activation) of the catalyst on the catalytic activity and selectivity is presented. The catalytic performances have been correlated to the structure of the catalyst as determined from TEM, TPD, TPR and PZC analysis (Chapter IV). The carbon nanostructures produced have also been used as reinforcement fillers for hydroxyapatite-nanotube composites. We have studied in particular, the germination of octacalcium phosphate crystals under conditions of constant solution composition on the surface of the composite (Chapter V).

L’électrofilage est actuellement la méthode la plus utilisée pour la production de nanofibres grâce à sa simplicité, sa reproductibilité et la possibilité d’être industrialisée. Grâce à leurs propriétés particulières telles qu’un grand rapport surface-volume, une porosité inter-fibre élevée et une grande capacité d’adsorption, les nanofibres électrofilées sont de bons candidats pour de nombreuses applications telles que la filtration, les masques respiratoires, les matériaux composites, etc. Cependant, certaines applications particulières, telles que les capteurs, les systèmes d'administration contrôlée de médicaments ou les super condensateurs, exigent que les nanofibres doivent présenter des propriétés complémentaires telles que la conductivité électrique, la porosité de surface de nanofibres, l’hydrophobicité, ou d’autres propriétés particulières. Certains nanomatériaux comme les nanotubes de carbone, la silice mésoporeuse ordonnée, les argiles, ont des propriétés particulières comme la conductivité électriques élevée des nanotubes de carbone, la porosité des matériaux de silice mésoporeuse ordonnée ou de l’argile. Ces propriétés des nanomatériaux peuvent être les fonctions complémentaires cherchées. Dans notre étude, des non-tissés composés de nanofibres de polyacrylonitrile chargées par nanotubes de carbone à multi-parois (MWNT), de la montmorillonite sodique (MMT-Na) ou de la silice mésoporeuse ordonnée (de type SBA-15), sont produits par électrofilage. Les résultats montrent que l’insertion de MWNT rend le non-tissé conducteur en augmentant la conductivité électrique volumique par six ordres de grandeur (de ~ 2×10-12 à ~ 3×10-6 S/m) avec un très faible seuil de percolation de 0.5 % massique. Lorsque le non-tissé est soumis à une compression, la conductivité électrique volumique augmente en augmentant la pression (jusqu’à ~ 2 kPa). Ces non-tissés conducteurs sont très intéressants pour le développement des capteurs à faible amplitude. Les résultats montrent aussi que l’accessibilité des pores des particules inorganiques (c’est-à-dire, les mésopores de SBA-15 et l’espace interfoliaire de MMT-Na) insérées dans la structure nano fibreuse est encore possible. Il a été trouvé que plus de 50% des mésopores de SBA-15 insérées sont encore accessibles quelles que soit les conditions de l’électrofilage et la fraction massique de SBA-15. En outre, l’insertion de ces particules inorganiques apporte plus de stabilité thermique aux nanofibres composites. / Electrospinning is the most common method for the production of nanofibres due to its simplicity, repeatability, and the ability to be scaled up. Owing to their advanced properties like the high surface-to-volume ratio, high interfibrous porosity, high adsorption capacity, etc. electrospun nanofibers are good candidates for many applications such as filtration, respiratory masks, composite materials and others. However, some specific applications including sensors, controlled drug delivery systems, supercapacitors, etc. still require complimentary functions that do not exist in pristine nanofibers in their basic structure like the electrical conductivity, surface porosity of the nanofibers, hydrophobicity, and others.Nanomaterials like carbon nanotubes, ordered mesoporous silica, layered silicate, etc. are characterized by particular properties like the high electrical conductivity of carbon nanotubes, the porosity of ordered mesoporous silica or layered silicate. These particular properties of nanomaterials can fulfill of the targeted functions.In our study, nonwovens made from nanofibers of polyacrylonitrile incorporated with multiwalled carbon nanotubes (MWNT), layered silicate type Na-montmorillonite (Na-MMT) or ordered mesoporous silica type SBA-15 are successfully produced by electrospinning.Results reveal that the incorporation of MWNT altered the electrical state of the nonwoven from insolent to conductor where the volume electrical conductivity increased by six order of magnitude (from ~ 2×10-12 to ~ 3×10-6 S/m) with a very low percolation threshold of about 0.5 wt%. The application of mechanical pressure to the conductive nonwoven causes an increase in the volume electrical conductivity with the increase of the applied pressure (up to ~ 2 kPa). Such conductive nonwoven is very interesting for the development of sensor with low amplitude.Results also show that accessibility of the pores of the inorganic particles (i.e. mesopores of SBA-15 and interlayer space of Na-MMT) incorporated into the nanofibers is still possible. It is found that at least 50% of SBA-15 mesopores are still accessible whatever is the electrospinning conditions and SBA-15 mass fraction. In addition, the incorporation of the studied inorganic particles yields higher thermal stability for the composite nanofibers.

Le contrôle spatial et temporel de l'auto-assemblage de molécules fluorescentes en nano-objets organisés et en matériaux mous a été réalisé par photochimie.La photodécarbonylation quantitative du progélifiant dkDDOA sous irradiation génère le super gélifiant 2,3-didécyloxyanthracène (DDOA) à température ambiante et simultanément gélifie le DMSO. DkDDOA est réactif sous excitation avec de la lumière bleue en raison de la fonction alpha-dicétone sensible à la lumière qui est ajoutée au noyau aromatique. De plus,l’ajustement de la couleur de l'émission du gel du bleu au vert a été obtenu en ajoutant un dérivé 1,2-dicétone-5,12-diphényltétracène photo réactif qui donne un 5,12-diphényltétracène émissif vert sensibilisé par un transfert d'énergie efficace.Sous un microscope, l'irradiation laser focalisée permet la structuration de nanofibres émissives sur une surface de verre. Bien que la surface de verre soit non traitée, on peut obtenir des micropattern de nanofibres de DDOA hautement alignées. Ces surfaces émettent une lumière bleue polarisée linéairement, comme le prouve la microscopie de polarisation. L'anisotropie élevée et l'orientation des fibres ont été obtenues en contrôlant la densité de nucléation et la direction de balayage du laser focalisé. Des micropattern orientés perpendiculairement peuvent ainsi être juxtaposés sur la même surface. / The spatial and temporal control of the self-assembly of fluorescent molecules into organized nano-objects and into soft materials was achieved by photochemistry. The quantitative photodecarbonylation of the progelator dkDDOA under irradiation generates the supergelator 2,3-didecyloxyanthracene (DDOA) at room temperature and simultaneously gelates DMSO. dkDDOA is reactive under excitation withblue light due to the light sensitive alpha-diketone moiety that is added to the aromatic core.Additional colour-tuning from blue to green emission from the gel was achieved by adding a similar photoreactive 1,2-diketone-5,12-diphenyltetracene that yields a green emissive 5,12-diphenyltetracene sensitized through an efficient energy transfer. Under a microscope, focused laser irradiation enables the patterning of blue-emissive nanofibers on to a glass surface. Although the surface is non-treated, micropatterns of highly aligned DDOA nanofibers can be obtained. These surfaces emit linearly polarized blue light,as proven with polarization microscopy. The high anisotropy and the orientation of the fibers was achieved by controlling the nucleation density and the direction of scanning of the focused laser. Perpendicularly oriented micropatterns can thereby be juxtaposed on the same surface.

Dans ce travail, nous décrivons la méthode de synthèse, la structure, les propriétés et quelques applications en catalyse de différentes formes du carbone, en particulier les nanostructures carbonées (Chapitre I). La technique de dépôt chimique en phase vapeur en réacteur à lit fluidisé a été utilisée pour le dépôt de métaux ou d’oxydes de métaux sur des supports comme l’alumine ou la silice. Le matériau résultant est utilisé comme catalyseur pour la synthèse de diverses nanostructures carbones par dépôt chimique en phase vapeur catalytique : nanotubes de carbone mono- et multi-feuillets (SWCNTs, MWCNTs), nanofibres de carbone (CNFs), et des nanotubes de carbone (N-MWCNTs) ou nanofibres (N-CNFs) dopés en azote (Chapitre II). Après dissolution du catalyseur par un traitement a l'acide sulfurique ou par la soude, suivit dans le cas des MWCNTs et CNFs, par un traitement à l'acide nitrique pour générer des fonctions carboxyliques de surface, les nanostructures carbonées ont été utilisées comme supports de catalyseurs. L’hydrogénation du cinnamaldehyde a été choisit comme réaction modèle pour comparer les performances de différents catalyseurs bimétalliques de Pt-Ru en fonction de la nature du support. Une étude paramétrique détaillée ainsi que l'étude de l'effet d'un traitement thermique sur l'amélioration des performances du catalyseur de Pt-Ru/MWCNT sont présentes. Une explication de l'augmentation des performances catalytiques sera proposée après analyses du catalyseur par HREM, EDX, EXAFS et WAXS (Chapitre III). Les nanostructures carbonées préparées seront également testées comme supports conducteurs d'électrocatalyseurs pour l'élaboration d'électrodes de "polyelectrolyte membrane fuel cells" (PEMFC). / In this work, we describe the synthesis, structure, physical properties and some applications in catalysis of previously known carbon allotropes, and recently discovered carbon nanostructure (Chapter I). First, FB-OM-CVD deposition was used for metal or metal oxide deposition on metal oxide supports like alumina or silica, leading to the production of supported catalysts. The resulting material was used as catalyst for catalytic chemical vapor deposition of carbonaceous nanostructures i.e single- and multi-walled carbon nanotubes (SWCNTs, MWCNTs), carbon nanofibers (CNFs), and nitrogen doped carbon nanotubes (N-MWCNTs) and nanofibers (N-CNFs) (Chapter II). After catalyst removal by a H2SO4 or NaOH treatments and carboxylic surface group generation by a HNO3 treatment in the case of MWCNTs and CNFs, the carbon nanostructures were used as supports for heterogeneous catalysis. The hydrogenation of cinnamaldehyde was used as a model reaction to compare the performance of different bimetallic Pt-Ru catalysts as a function of the nature of the support. Detailed parametric studies as well as the effect of a heat treatment on the performance improvement of the Pt-Ru/MWCNT catalyst are presented. An explanation for the increase of performances upon heat treatment will be proposed after HREM, EDX, EXAFS and WAXS characterization of the catalyst (Chapter III). The prepared carbon nanostructures were also tested as supports for Pd based electrocatalysts for direct alkaline fuel cells applications in both cathodes for the ORR reaction and anodes for alcohols oxidation.

Les nanofibres et nanotubes de carbone constituent des matériaux très prometteurs pour les applications microélectronique, stockage ou encore récupération d'énergie, en termes de caractéristiques électriques. Néanmoins leur intégration industrielle à court terme n'est toujours pas d'actualité, à cause de divers verrous technologiques et en particulier celui de la résistance de contact. Ces travaux de thèse se sont intéressés à la problématique du contact électrique entre électrode et nanotubes, lorsque ceux-ci sont intégrés dans des dispositifs par CVD et que le contact se forme durant la croissance. La réalisation et la caractérisation de dispositifs à nanofibres dans un premier temps a permis de mettre en évidence l'importance de la rugosité et de l'oxydation de surface de l'électrode en termes de qualité de contact. Par la suite la fabrication et les caractérisations électrique et physique de dispositifs à nanotubes essentiellement mono-paroi nous ont permis de constater que des barrières de potentiel sont également présentes aux interfaces, liées à la présence d'oxydes natifs ou issus de réactions thermodynamiquement favorables. La modélisation des caractéristiques I-V suggère également l'importance de la cristallinité des électrodes sur les paramètres des barrières. Enfin, nous avons positionné nos résultats par rapport à l'état de l'art, et discuté sur la base de nos travaux et de certains issus de la littérature des différents points-clés permettant de réduire les résistances de contact.

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC). / Electrospinning is a technique that allows production of polymeric fibers with diameters ranging from nanometers to a few microns, and thus with an inherent high surface-to-volume ratio. Electrospun fibers are finding potential applications in drug delivery and tissue engineering, as membranes and chemical sensors, and in nanocomposites and electronic devices. Electrospinning was initially used to prepare disordered, non-woven mats, but it is now possible to produce highly aligned fibers by using different target collectors. However, it is of great interest to not only control the macroscopic alignment of the fibers but also their orientation at the molecular level since it influences the mechanical, optical and electrical properties of polymers. Molecular complexes were targeted as a means of increasing molecular orientation in electrospun fibers. In the host-guest urea inclusion complexes (ICs), polymer chains are packed in one-dimensional channels constructed from an essentially infinite three-dimensional network of hydrogen-bonded urea molecules. The polymer chains are thus highly extended at the molecular scale. PEO-urea complex nanofibers have been prepared for the first time by electrospinning of suspension and solutions. As predicted, an unusually large molecular orientation in the fibers was achieved. Such highly ordered IC fibers could find use both for fundamental studies of the inclusion complexes and for the preparation of hierarchically structured materials. Electrospinning can also sometimes be used to prepare metastable polymeric materials that cannot be prepared by the conventional methods. Here, solution electrospinning was used to prepare fibers of both the stable (α) and "metastable" (β) complexes between PEO and urea. Detailed characterization of the ill-studied β complex reveals that it possesses a 12:8 PEO:urea stoichiometry and belongs to the orthorhombic system with a = 1.907 nm, b = 0.862 nm, and c = 0.773 nm. The PEO chains are oriented along the fiber axis and present a conformation significantly affected by strong hydrogen bonding with urea as compared to the pure polymer and the stable α complex. A layered structure, rather than the conventional channel structure, is suggested. In contrast with previous suggestions based on melt-quenched PEO-urea α complex, our results further indicate that the β complex is thermodynamically stable before melting and can phase-transfer to the α complex and liquid PEO through a thermodynamic melt-recrystallization process at 89 ºC. In contrast, the β complex obtained by melt-quenching the α complex is mixed with urea crystal and is metastable. It can experience a kinetic solid-solid phase transition process to produce α complex within a large temperature range. This transition is induced by a PEO conformation change and by the formation of intermolecular hydrogen bonds between urea and PEO. The phase diagram of the PEO/urea system was drawn over the complete composition range, which allowed interpreting the formation of various out-of-equilibrium mixtures observed experimentally. The structure and phase diagram of the PEO/thiourea complex, another poorly understood system, was also studied in detail. An EO:thiourea molar ratio of 3:2 was deduced for the complex, and a monoclinic unit cell with a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm and β = 92.35º was determined. Just as for the PEO-urea β complex, a layered structure was suggested for the PEO-thiourea complex, in which the thiourea molecules would be arranged into a ribbon-like structure intercalated between two PEO layers. This layered structure could explain the much lower melting temperature of the PEO-thiourea (110 ºC) and PEO-urea β complexes (89 ºC) as compared to the well known channel-structured PEO-urea α complex (143 ºC).

L'électrospinning est un procédé couramment utilisé pour la fabrication de membranes nanofibreuses non-tissées. Ces membranes sont particulièrement intéressantes pour des applications tels que l'ingénierie tissulaire et la libération contrôlée de médicaments car elles sont très poreuses et ont une large surface spécifique. Dans une première partie, nous avons développé une nouvelle stratégie afin de contrôler la morphologie et la dimension des fibres fabriquées par electrospinning. Puis nous avons développé un composite fait de nanofibres de PLA et de microparticules de PEG auto-organisé, créant des motifs en nid d'abeilles qui grandissent avec l'épaisseur de la membrane. Ces membranes auto-organisées ont une structure poreuse dont la dimension des pores va de quelques microns à plusieurs centaines de microns. Enfin, deux modèles ont été développés pour une libération contrôlée d'un composé model : la délivrance retardée par l'élaboration de structure sandwich et la libération directionnnelle par la création d'un gradient de concentration avec différentes cinétiques.

It is well known that nanostructures possess unique electronic, optical, magnetic, ferroelectric and piezoelectric properties that are often superior to traditional bulk materials. In particular, one dimensional (1D) nanostructured inorganic materials including nanofibres, nanotubes and nanobelts have attracted considerable attention due to their distinctive geometries, novel physical and chemical properties, combined effects and their applications to numerous areas. Metal ion doping is a promising technique which can be utilized to control the properties of materials by intentionally introducing impurities or defects into a material. γ-Alumina (Al2O3), is one of the most important oxides due to its high surface area, mesoporous properties, chemical and thermal properties and its broad applications in adsorbents, composite materials, ceramics, catalysts and catalyst supports. γ-Alumina has been studied intensively over a long period of time. Recently, considerable work has been carried out on the synthesis of 1D γ-alumina nanostructures under various hydrothermal conditions; however, research on the doping of alumina nanostructures has not been forthcoming. Boehmite (γ-AlOOH) is a crucial precursor for the preparation of γ-Alumina and the morphology and size of the resultant alumina can be manipulated by controlling the growth of AlOOH. Gallium (Ga) is in the same group in the periodic table as aluminum. β-Gallium (III) oxide (β-Ga2O3), a wide band gap semiconductor, has long been known to exhibit conduction, luminescence and catalytic properties. Numerous techniques have been employed on the synthesis of gallium oxide in the early research. However, these techniques are plagued by inevitable problems. It is of great interest to explore the synthesis of gallium oxide via a low temperature hydrothermal route, which is economically efficient and environmentally friendly. The overall objectives of this study were: 1) the investigation of the effect of dopants on the morphology, size and properties of metal ion doped 1D alumina nanostructures by introducing dopant to the AlOOH structure; 2) the investigation of impacts of hydrothermal conditions and surfactants on the crystal growth of gallium oxide nanostructures. To achieve the above objectives, trivalent metal elements such as iron, gallium and yttrium were employed as dopants in the study of doped alumina nanostructures. In addition, the effect of various parameters that may affect the growth of gallium oxide crystals including temperature, pH, and the experimental procedure as well as different types of surfactants were systematically investigated. The main contributions of this study are: 1) the systematic and in-depth investigation of the crystal growth and the morphology control of iron, gallium and yttrium doped boehmite (AlOOH) under varying hydrothermal conditions, as a result, a new soft-chemistry synthesis route for the preparation of one dimensional alumina/boehmite nanofibres and nanotubes was invented; 2) systematic investigation of the crystal growth and morphology and size changes of gallium oxide hydroxide (GaOOH) under varying hydrothermal conditions with and without surfactant at low temperature; We invented a green hydrothermal route for the preparation of α-GaOOH or β-GaOOH micro- to nano-scaled particles; invented a simple hydrothermal route for the direct preparation of γ-Ga2O3 from aqueous media at low temperature without any calcination. The study provided detailed synthesis routes as well as quantitative property data of final products which are necessary for their potential industrial applications in the future. The following are the main areas and findings presented in the study: • Fe doped boehmite nanostructures This work was undertaken at 120ºC using PEO surfactant through a hydrothermal synthesis route by adding fresh iron doped aluminium hydrate at regular intervals of 2 days. The effect of dopant iron, iron percentage and experimental procedure on the morphology and size of boehmite were systematically studied. Iron doped boehmite nanofibres were formed in all samples with iron contents no more than 10%. Nanosheets and nanotubes together with an iron rich phase were formed in 20% iron doped boehmite sample. A change in synthesis procedure resulted in the formation of hematite large crystals. The resultant nanomaterials were characterized by a combination of XRD, TEM, EDX, SAED and N2 adsorption analysis. • Growth of pure boehmite nanofibres/nanotubes The growth of pure boehmite nanofibres/nanotubes under different hydrothermal conditions at 100ºC with and without PEO surfactant was systematically studied to provide further information for the following studies of the growth of Ga and Y doped boehmite. Results showed that adding fresh aluminium hydrate precipitate in a regular interval resulted in the formation of a mixture of long and short 1D boehmite nanostructures rather than the formation of relatively longer nanofibres/nanotubes. The detailed discussion and mechanism on the growth of boehmite nanostructure were presented. The resultant boehmite samples were also characterized by N2 adsorption to provide further information on the surface properties to support the proposed mechanism. • Ga doped boehmite nanostructures Based on this study on the growth of pure boehmite nanofibre/nanotubes, gallium doped boehmite nanotubes were prepared via hydrothermal treatment at 100ºC in the presence of PEO surfactant without adding any fresh aluminium hydrate precipitate during the hydrothermal treatment. The effect of dopant gallium, gallium percentage, temperature and experimental procedure on the morphology and size of boehmite was systematically studied. Various morphologies of boehmite nanostructures were formed with the increase in the doping gallium content and the change in synthesis procedure. The resultant gallium doped boehmite nanostructures were characterized by TEM, XRD, EDX, SAED, N2 adsorption and TGA. • Y doped boehmite nanostructures Following the same synthesis route as that for gallium doped boehmite, yttrium doped boehmite nanostructures were prepared at 100ºC in the presence of PEO surfactant. From the study on iron and gallium doped boehmite nanostructures, it was noted both iron and gallium cannot grow with boehmite nanostructure if iron nitrate and gallium nitrate were not mixed with aluminium nitrate before dissolving in water, in particular, gallium and aluminium are 100% miscible. Therefore, it’s not necessary to study the mixing procedure or synthesis route on the formation of yttrium doped boehmite nanostructures in this work. The effect of dopant yttrium, yttrium percentage, temperature and surfactant on the morphology and size of boehmite were systematically studied. Nanofibres were formed in all samples with varying doped Y% treated at 100ºC; large Y(OH)3 crystals were also formed at high doping Y percentage. Treatment at elevated temperatures resulted in remarkable changes in size and morphology for samples with the same doping Y content. The resultant yttrium doped boehmite nanostructures were characterized by TEM, XRD, EDX, SAED, N2 adsorption and TGA. • The synthesis of Gallium oxide hydroxide and gallium oxide with surfactant In this study, the growth of gallium oxide hydroxide under various hydrothermal conditions in the presence of different types of surfactants was systematically studied. Nano- to micro-sized gallium oxide hydroxide was prepared. The effect of surfactant and synthesis procedure on the morphology of the resultant gallium oxide hydroxide was studied. β-gallium oxide nanorods were derived from gallium oxide hydroxide by calcination at 900ºC and the initial morphology was retained. γ-gallium oxide nanotubes up to 65 nm in length, with internal and external diameters of around 0.8 and 3.0 nm, were synthesized directly in solution with and without surfactant. The resultant nano- to micro-sized structures were characterized by XRD, TEM, SAED, EDX and N2 adsorption. • The synthesis of gallium oxide hydroxide without surfactant The aim of this study is to explore a green synthesis route for the preparation of gallium oxide hydroxide or gallium oxide via hydrothermal treatment at low temperature. Micro to nano sized GaOOH nanorods and particles were prepared under varying hydrothermal conditions without any surfactant. The resultant GaOOH nanomaterials were characterized by XRD, TEM, SAED, EDX, TG and FT-IR. The growth mechanism of GaOOH crystals was proposed.

Ce travail de thèse est principalement dédié à la mise en forme et à l’utilisation de nano-objets unidimensionnels comme matériaux d’électrodes transparentes. Les nanofils d’argent font partie des candidats les plus prometteurs pour le remplacement de l’oxyde d’indium-étain, actuellement le plus répandu dans les dispositifs commerciaux. La forte instabilité des nanofils d’argent à l’oxydation est néanmoins un problème critique puisque les électrodes deviennent moins performantes en peu de temps. En premier lieu, la triphénylphosphine a été utilisée comme agent inhibant l’oxydation. Contrairement aux électrodes non modifiées, celles-ci sont stables pendant plus de trois mois. Une deuxième partie est consacrée à l’utilisation de l’électrofilage pour élaborer des électrodes transparentes à base de nanofibres de matériaux conducteurs (nanofibres de cuivre, nanotubes de carbone, oxyde de graphène réduit). Enfin, une dernière partie concerne l’étude des propriétés mécaniques de nanofibres d’alcool polyvinylique par l’écoulement d’un fluide porteur dans une constriction réalisée en impression 3D. Cette méthode permet une analyse et une évaluation simple et rapide de la contrainte à la rupture des nanofibres, propriété difficilement accessible par des mesures mécaniques traditionnelles. / This PhD work deals mainly with the high scale organization and use of unidimensional nano-objects for making transparent electrodes. Among the candidates of choice for the replacement of indium tinoxide, the main material used in commercial devices, silver nanowires (Ag NW) are among the most promising. However, the tendency of silver nanowires to be quickly oxidized can severely affect their performances. Firstly, this drawback is circumvented through the use of triphenylphosphine (PPh3)as a protective agent. Unlike bare Ag NW electrodes, the PPh3 modified Ag NW electrodes are stable over three months. A second part is dedicated to the production of transparent electrodes via the electrospinning technique. Materials such as copper nanofibers, carbon nanotubes and reduced graphene oxide are investigated. The last part of the manuscript deals with the measurement of the mechanical properties of poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofibers. To do so, the flowing of a fluid in a3D-printed constriction is used. Usually determined with difficulty, the fracture strength of the nanofibers can be evaluated quickly at ease.