Cette thèse de doctorat présente une étude expérimentale des propriétés rhéologiques d’électrolytes confinés et de la mécanique des doubles couches électrostatiques.Afin d’étudier simultanément les propriétés d’équilibre et de transport d’électrolytes confinés proches de parois électriquement chargées, nous avons développé un appareil à forces de surfaces dynamique. Cette technique combine à la fois des mesures à l’équilibre, à l’instar des appareils à forces de surfaces classiques, et des mesures dynamiques permettant de caractériser les phénomènes de transport.Nous avons tout d’abord étudié le cas d’électrolytes très dilués. Nous avons montré l’existence d’une sur-dissipation induite par les ions issus des électrolytes par rapport à un comportement newtonien classique. De plus, nous avons mis en évidence un comportement élastique des doubles couches électrostatiques dépendant de la fréquence. Une approche théorique vient compléter et expliquer en partie les résultats expérimentaux.Enfin nous nous sommes intéressés à la dynamique d’électrolytes concentrés : les liquides ioniques. Nous avons étudié l’influence, sur la viscosité et les propriétés du liquide à l’interface solide-liquide, d’un champ électrique intense appliqué perpendiculairement à l’écoulement, comme rencontré dans les super-condensateurs. / This thesis presents an experimental study of rheological properties of confined electrolytes and mechanics of electric double layer.In order to study simultaneously equilibrium and transport of confined electrolytes nearby charged surfaces, we developed a dynamic surface force apparatus. This technique enables both steady state measurements, as provided by common surface forces apparatus, and dynamic measurements that allow characterizing the transport phenomenona.First, we showed the existence of an over-dissipative behavior of weak electrolytes compared to a classical newtonian fluid. Furthermore we highlighted a frequency dependence of the EDL elastic behavior. Alongside, a theoretical approach completes and explains partially the experimental observations.Finally we studied the dynamics of ionic liquid, a type of concentrated electrolytes. We looked at the influence of a huge electric field, applied perpendicularly to the surfaces, on the viscosity and the properties of the liquid nearby the surfaces, as found in super-capacitors.

Certaines applications industrielles nécessitent des niveaux d’étanchéité exceptionnels pour permettre la réalisation d’un vide poussé ou pour répondre à des enjeux de sécurité radiologique par exemple. Ces niveaux de haute étanchéité statique sur des assemblages démontables sont obtenus à l’aide de joints entièrement métalliques. La fuite résultante de l’assemblage n’est due qu’à la persistance d’un champ des ouvertures à l’interface entre le joint d’étanchéité et la bride d’assemblage, conséquence d’un contact imparfait entre les deux surfaces rugueuses. Le champ des ouvertures à l’interface de contact est assimilable à une fracture rugueuse hétérogène, de nature multi-échelle, et peut en principe être obtenu par un calcul de déformations mécaniques préalable. Dans ce travail, on s’intéressera plus particulièrement à l’écoulement gazeux raréfié dans le régime glissant au sein de cette fracture. Pour les régimes modérément raréfiés,l’écoulement est modélisé par l’équation de Reynolds faiblement compressible avec correction de glissement de premier ordre aux parois que l’on développe. On effectue ensuite un changement d’échelle par la méthode de la prise de moyenne volumique, permettant d’établir un modèle macroscopique d’écoulement à l’échelle d’un élément représentatif, où le débit massique est relié au gradient de pression via le tenseur de transmissivité. Celui-ci, caractéristique de l’élément représentatif de fracture, est calculé par résolution d’un problème de fermeture et est dépendant de la microstructure ainsi que du libre parcours moyen représentatif sur l’élément. Pour remonter à l’écoulement dans l’ensemble de la fracture, hétérogène à cette échelle, celle-ci est subdiviséeen pavés sur chacun desquels est calculé un tenseur de transmissivité local par la méthode sus-citée. Ensuite, l’écoulement dans ce champ de tenseurs est résolu par une méthode des éléments finis de frontière, donnant la transmissivité apparente glissante du joint dans son ensemble. Cette approche à deux échelles, vue comme outil d’aide à la conception, permet une réduction de la complexité de calcul par rapport à une simulation directe, rendant possible une analyse plus efficace du comportement d’un système d’étanchéité. Pour valider l’utilisation du modèle de glissement d’un point de vue macroscopique et s’affranchir des incertitudes sur le calcul de déformation mécanique, des puces nanofluidiques de type réseau hétérogène de canaux droits sont fabriquées par photolithographie par niveaux de gris. Des essais expérimentaux de mesure de fuite sont réalisés sur ces géométries modèles, représentant des joints idéalisés. Ces essais sont effectués en appliquant une forte différence de pression d’hélium par utilisation d’un spectromètre de masse mesurant la fuite, produisant une condition de vide en sortie de puce.Selon les puces, les régimes de raréfaction atteints vont alors du régime glissant au régime moléculaire. Le débit de fuite mesuré est alors supérieur à celui prédit par le modèle de premier ordre, l’écart restant inférieur à un ordre de grandeur quel que soit le régime / Some industrial applications require exceptional sealing levels to maintain ultra-high vacuumconditions or for radiological safety concerns for example. Such high performance static sealingconditions on mechanical assemblies are reached using entirely metallic gaskets. The resultingleak-rate is only due to the persistence of an aperture field at the seal-flange interface,consequence of a non-ideal contact between the two rough surfaces. This aperture field can beviewed as a rough and heterogeneous fracture, of multi-scale nature, and can be obtained by aprior contact mechanics computation. In this work, we are interested on the rarefied flow of a gasin this fracture, drawing our attention to the slip regime. For such moderately rarefied regime, theflow is described by the slightly compressible Reynolds equation with a first-order slip-flowcorrection at the walls, which we develop. Using the method of volume averaging, an upscalingprocedure is performed to derive the macroscopic flow model at the scale of a representativeelement, and where the mass flow rate is related to the pressure gradient by the transmissivitytensor. This latter is characteristic of the representative fracture element and is obtained by solvingan auxiliary closure problem which depends on the micro-structure as well as the representativemean free path on the element. To compute the flow in the whole fracture, heterogeneous at thisscale, it is subdivided in tiles on which a transmissivity tensor is locally computed by theaforementioned method. Then, the flow problem in this tensor field is solved using a boundaryelement method, leading to the apparent slip-corrected transmissivity of the entire aperture field.This two-scale approach is a conception tool which reduces the overall complexity with respect toa direct numerical simulation, allowing a more efficient analysis of the behavior of a sealingassembly. To validate the use of slip models at the macroscopic level and to eliminate theuncertainties of the contact mechanics computation, nanofluidic chips composed ofheterogeneous network of straight channels are fabricated using a grayscale photolithographytechnique. Experimental measurements of the leak-rate are performed on these idealizedgeometries that mimic a seal assembly. They are realized by applying a strong helium pressuredifference on the chip using a mass spectrometer to measure the leak, which produces a nearvacuum condition at the outlet. Depending of the chip, the rarefaction regime ranges from slip tofree-molecular. The measured leak-rate is greater than predicted by the first order model, thoughbeing of the same order of magnitude whatever the regime

Cette thèse décrit diverses situations liées au transport fluidique aux nano-échelles. Le premier chapitre est une introduction à la nanofluidique qui contient une revue des longueurs caractéristiques, des forces et des phénomènes présents aux nano-échelles. Le deuxième chapitre est une étude de l'impact de la géométrie sur la perméabilité hydrodynamique d'un nanopore. Inspirée par la forme des aquaporines, cette étude suggère une optimisation possible pour des canaux biconiques. Le troisième chapitre est une étude du remplissage capillaire dans des canaux sub-nanométriques en carbone. Cette étude montre l'importance de la pression de disjonction induite par la structure du fluide sur le remplissage. Le quatrième chapitre est une étude d'une diode nanofluidique, un composant connu pour imiter le comportement d'une diode à semi-conducteur. On montre qu'un fort couplage entre l'eau et la dynamique des ions entraîne une rectification du flux d'eau à l'intérieur de la diode. Le cinquième et dernier chapitre est une étude de l'origine du bruit rose (1=f) communément observé lors des mesures de courant ionique dans les nanopores / This thesis discusses various situations linked to transport at the nanoscale. The first chapter is an introduction to nanofluidics, containing a review of characteristic lengths, forces, or phenomena existing at the nanoscale. The second chapter is a study of the impact of geometry on the hydrodynamic permeability of a nanopore. This study, inspired by the shape of aquaporins, suggests a possible optimisation of permeability for bi-conical channels. The third chapter is a study of capillary filing inside subnanometric carbon channels which highlights the importance of the disjoining pressure induced by the fluid structuring inside the nanochannel. The fourth chapter is a study of nanofluidic diode, a component known to mimic the behaviour of semiconductor diode. The study highlights a strong coupling between water and ion dynamics which leads to a water flow rectification inside the diode. The fifth and last chapter is a study of the origin of commonly observed pink noise (1=f) in ionic current measurements through nanopores

Le transport d’ions et de molécules à l’intérieur de canaux nanométriques diffère du transport à l’échelle micro- ou macroscopique du fait de rapports surface/volume bien plus élevés conduisant à de nouveaux phénomènes de transport. Les nanotubes de carbone avec leurs propriétés uniques apparaissent comme des canaux exceptionnellement intéressants pour mieux comprendre le transport ionique et fluidique à l’échelle nanométrique et pour d’éventuelles applications nanofluidiques. Ce travail est dédié à l’étude et la compréhension des mécanismes de transport des ions en phase aqueuse à l’intérieur de nanotubes de carbone, un sujet particulièrement important pour le développement d’applications dans le domaine du séquençage de l’ADN ou de l’analyse biochimique de petites molécules.Durant ce travail, un protocole a été développé pour la fabrication de dispositifs microfluidiques intégrant des nanotubes de carbone et permettant des mesures à la fois électriques et optiques. Les propriétés de transport à l’intérieur de nanotubes de carbone mono-feuillets ont été étudiées en combinant mesures de courant ionique sous application d’un champ électrique, spectroscopie Raman et modélisation théorique. Les résultats obtenus par cette étude démontrent la forte influence de l’environnement du nanotube sur la densité et la distribution des charges de surface et donc sur les propriétés de transport à l’intérieur de ces nano-canaux dont les parois sont d’épaisseur atomique. Les ordres de grandeur des courants ioniques mesurés expérimentalement sont en bon accord avec les modèles standards de transport ionique dans un nanocanal en considérant des densités de charge de surface et des longueurs de glissement physiquement raisonnables. De manière importante, ce travail a permis de mettre en évidence un transport ionique activé par champ électrique à l’intérieur de nanotubes de carbone, qui peut être expliqué en considérant un modèle de transport plus élaboré intégrant une ou plusieurs barrières d’énergie le long du nanotube. Les résultats de la caractérisation Raman suggèrent que ces barrières d’énergie résultent d’un dopage hétérogène le long du nanotube induit par la matrice polymère. / Ionic and molecular transport inside nanometer scale geometries is distinct from micro- and macroscale transport due to the large surface-to-volume ratios which lead to unique transport phenomena. Carbon nanotubes with their peerless properties appear as exceptional channels for understanding fluidic and ionic transport at the nanoscale and for developing nanofluidics-based applications. This work is devoted at studying and understanding the transport mechanisms of ions in aqueous phase through carbon nanotubes, which is especially important for various applications such as DNA sequencing or biochemical analysis of small molecules.During this work, a protocol was developed for the fabrication of carbon nanotubes-based microfluidic devices which are suitable for both electrical and optical measurements. The transport properties through single-walled carbon nanotubes were investigated by combining ion current measurements under an applied voltage, Raman spectroscopy and theoretical modelling. The results obtained from this study highlight the strong influence of the nanotube environment on their surface charge density and distribution and hence on the ionic transport properties through these nanochannels having walls of atomic thickness. The orders of magnitude of the ionic currents experimentally measured are in good agreement with the standard models of ion transport through nanochannels when considering physically reasonable values of surface charge densities and slip lengths. Importantly, this work allowed us to evidence a novel voltage-activated transport of ions through carbon nanotubes which can be accounted for by considering a more elaborate transport model including the presence of one or more energy barriers along the nanotube. Raman characterization results support that these energy barriers result from a heterogeneous doping along the nanotubes induced by the polymer matrix.

This diploma thesis is focused on preparation of liposome by relatively new method called nanofluidisation. This method allows the controlled preparation of small unilamellar liposomes in one step. In my thesis I was dealing with optimalization of liposomes preparation which carry hydrophobic cytostatics using this method. Cytotoxic effect of liposomes carrying hydrophobic cytostatics in vitro on cell lines A549 and MCF-7 was determined. In cytotoxicyty test I compared the effect of hydrophobic cytostatics (paclitaxel and derivates of vitamin E specifically alfa-Tos, alfa-TEA) that were incorporated into liposomes prepared via nanofluidisation method and lipid film hydration method. Moreover, a technology of lyophilisation in the presence of cryoprotectants for preparation of liposomes using the method of nanofluidisation was developed.

Today, the growing and aging population, and the rise of new global threats on human health puts an increasing demand on the healthcare system and calls for preventive actions. To make existing medical treatments more efficient and widely accessible and to prevent the emergence of new threats such as drug-resistant bacteria, improved diagnostic technologies are needed. Potential solutions to address these medical challenges could come from the development of novel lab-on-chip (LoC) for point-of-care (PoC) diagnostics. At the same time, the increasing demand for sustainable energy calls for the development of novel approaches for energy conversion and storage systems (ECS), to which micro- and nanotechnologies could also contribute. This thesis has for objective to contribute to these developments and presents the results of interdisciplinary research at the crossing of three disciplines of physics and engineering: electrokinetic transport in fluids, manufacturing of micro- and nanofluidic systems, and surface control and modification. By combining knowledge from each of these disciplines, novel solutions and functionalities were developed at the macro-, micro- and nanoscale, towards applications in PoC diagnostics and ECS systems. At the macroscale, electrokinetic transport was applied to the development of a novel PoC sampler for the efficient capture of exhaled breath aerosol onto a microfluidic platform. At the microscale, several methods for polymer micromanufacturing and surface modification were developed. Using direct photolithography in off-stoichiometry thiol-ene (OSTE) polymers, a novel manufacturing method for mold-free rapid prototyping of microfluidic devices was developed. An investigation of the photolithography of OSTE polymers revealed that a novel photopatterning mechanism arises from the off-stoichiometric polymer formulation. Using photografting on OSTE surfaces, a novel surface modification method was developed for the photopatterning of the surface energy. Finally, a novel method was developed for single-step microstructuring and micropatterning of surface energy, using a molecular self-alignment process resulting in spontaneous mimicking, in the replica, of the surface energy of the mold. At the nanoscale, several solutions for the study of electrokinetic transport toward selective biofiltration and energy conversion were developed. A novel, comprehensive model was developed for electrostatic gating of the electrokinetic transport in nanofluidics. A novel method for the manufacturing of electrostatically-gated nanofluidic membranes was developed, using atomic layer deposition (ALD) in deep anodic alumina oxide (AAO) nanopores. Finally, a preliminary investigation of the nanopatterning of OSTE polymers was performed for the manufacturing of polymer nanofluidic devices. / <p>QC 20140509</p> / Rappid / NanoGate / Norosensor