Ces travaux de thèse ont eu deux objectifs: i) le développent de systèmes nanofluidique en utilisant une méthode non-lithographique, peu chère et facilement transposable à l'échelle industrielle ii) la compréhension des phénomènes nanofluidiques au travers des études expérimentales et de modélisation. Des couches minces mesoporeuses, en particulier des structures planaires avec des nanopiliers, ont été utilisé pour des études sur l'infiltration capillaire des liquides dans espaces confiné au niveau nanométrique. En plus des premiers tests pour des applications plus complexes comme des séparations et réactions nanoconfiné. Des structures mesoporeuses non-organisés ont aussi été étudiées pour déterminer la relation entre la nanostructure et la vitesse de remplissage capillaire. A été aussi démontré que pour des porosités avec des forts rétrécissements le remplissage capillaire se produit par l'intermédiaire d'une phase vapeur. Les échantillons ont été préparés par dip-coating. Une méthode de préparation basé sur une substitution de la plus grande parte de la solution à déposer par un fluide inerte a été développé. La méthode permet de réduire fortement le cout de procédé et, par conséquence, de faire des dépôts sur plus grande surface. Un effort dans la modélisation des phénomènes nanofluidiques a aussi été fait pendant cette thèse. Une méthode de simulation qui permet de décrire adéquatement les interactions hydrodynamiques dans un système nano a été utilisée pour simuler un flux électro-osmotique. La méthode, Stochastic Rotational Dynamics, a été valide par confrontation avec des résultats connus et l'influence des certains paramètres de simulation évaluée dans le détail. / This thesis had a dual purpose: i) the development of nanofluidic devices through not lithographic, cheap and scalable bottom-up approach ii) the understanding of nanofluidic phenomena both through experiments and simulations. Mesoporous thin films, in particular Pillared Planar Nanochannels (PPNs), were prepared and utilized to study the capillary infiltration of liquids in nanostructures and have been tested for future nanofluidic applications like separations and nanoconfined reactions. Non organized mesoporous films have also been studied to determine the relationship between nanostructure characteristics and infiltration speed. It has been also demonstrated that in the case of porosities with reduced bottle-necks capillary penetration is performed through a vapor mediated mechanism The samples were prepared by dip-coating. A novel method of preparation based on the substitution of a large part of the deposing solution in dip-coating with an inert fluid has been developed in order to strongly reduce the fabrication costs and allow the preparation of larger samples. Moreover advancement in control of the dip-coating technique in “acceleration-mode” to produce thickness gradients has been developed and some potential application linked to fluidics shown. Finally a part of the effort of this thesis has been placed in the modeling of the electro-osmotic phenomenon in nanostructures through a rather novel simulation method, Stochastic Rotational Dynamics, which takes into account the hydrodynamics and the other interactions inside a nanofluidic system. Validations of the method and further investigations in particular nanofluidic conditions have been performed.

L'analyse cinétique d'interactions de protéines offre une multitude d'informations sur les fonctions physiologiques de ces molécules au sein de l'activité cellulaire, et peut donc contribuer à l'amélioration des diagnostics médicaux ainsi qu'à la découverte de nouveaux traitements thérapeutiques. La résonance plasmonique de surface (SPR) est la technique de biodétection optique de référence pour les études cinétiques d'interaction de molécules biologiques. Si la SPR offre une détection en temps réel et sans marquage, elle nécessite en revanche des équipements coûteux et sophistiqués ainsi que du personnel qualifié, limitant ainsi son utilisation au sein de laboratoires de recherche académiques. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé une plateforme de biodétection basée sur l'utilisation de nanofentes biofonctionnalisées combinées avec une détection par microscopie à fluorescence. Ce système permet l'observation en temps réel d'interactions protéines-protéines et la détermination des constantes cinétiques associées, avec des temps de réponse optimisés et une excellente efficacité de capture. La fonctionnalité du système a été démontrée par l'étude des cinétiques d'interaction de deux couples modèles de différentes affinités : le couple streptavidine/biotine et le couple IgG de souris/anti-IgG de souris. Une très bonne cohérence entre les constantes cinétiques extraites, celles obtenues par des expériences similaires réalisées en SPR et les valeurs rapportées dans la littérature montre que notre approche pourrait être facilement applicable pour l'étude cinétique d'interactions de protéines avec une sensibilité allant jusqu'au pM, sur une large gamme de constantes de dissociation. De plus, nous avons intégré un générateur de gradient de concentrations microfluidique en amont de nos nanofentes, permettant ainsi des mesures simultanées de cinétiques d'interactions à différentes concentrations d'analyte en une seule expérience. Ce système intégré offre de nombreux avantages, tels qu'une réduction de la consommation des réactifs et des temps d'analyse par rapport aux approches séquentielles classiques. Cette technologie innovante pourrait ainsi être un outil précieux non seulement pour les domaines du biomédical et de la médecine personnalisée mais aussi pour la recherche fondamentale en chimie et biologie. / Kinetic monitoring of protein-protein interactions offers fundamental insights of their cellular functions and is a vital key for the improvement of diagnostic tests as well as the discovery of novel therapeutic drugs. Surface plasmon resonance (SPR) is an established biosensor technology routinely used for kinetic studies of biomolecular interactions. While SPR offers the benefits of real-time and label-free detection, it requires expensive and sophisticated optical apparatus and highly trained personnel, thus limiting the accessibility of standard laboratories. In this PhD project, we have developed an alternative and cost-effective biosensor platform exploiting biofunctionalized nanofluidic slits, or nanoslits, combined with a bench-top fluorescence microscope. Our approach enables the visualization of protein interactions in real-time with the possibility to determine associated kinetic parameters along with optimized response times and enhanced binding efficiency. We have demonstrated the effectiveness of our devices through kinetic studies of two representative protein-receptor pairs with different binding affinities: streptavidin-biotin and mouse IgG/anti-mouse IgG interactions. Good agreement of extracted kinetic parameters between our device, SPR measurements and literature values indicated that this approach could be readily applicable to study kinetics of protein interactions with sensitivity down to 1 pM on a large scale of dissociation constants. In addition, we have incorporated a microfluidic gradient generator to our validated nanoslit device, which has allowed one-shot parallel kinetic measurements to be realized in a single-experiment. This integrated system provides advantages of diminished material consumption and analysis time over the conventional kinetic assays. We believe that this innovative technology will drive future advancements not only in the discipline of biomedical and personalized medicine, but also in basic chemical/biological research.

La première partie de cette thèse constitue une introduction aux différentes méthodes de conversion d'énergie et de dessalement qui seront évoquées dans cet ouvrage. Dans une deuxième partie, nous montrons que la conductance ionique d'un réseau de nanopores est sous-additive avec le nombre de pores. La contribution individuelle de chaque pore à la conductance globale tend vers une valeur nulle, pour un réseau suffisamment grand. On note que seuls des rapports de longueurs interviennent, et que le choix d'une échelle nanométrique n'a pas d'influence dans l'effet observé. Ensuite, dans une troisième partie, nous mesurons la perméabilité d'un réseau de pores à une échelle macroscopique. Là aussi, l'influence du réseau ne dépend pas de l'échelle du système. La perméabilité évolue en sens inverse de la conductance : elle est augmentée par la présence de pores voisins, mais dans une faible proportion. La quatrième partie se sert des résultats des deux parties précédentes, dans le but de déterminer une loi d'échelle pour la puissance électrique produite par courant d'écoulement et diffusio-osmose, deux méthodes de conversion d'énergie osmotique. On montre que les effets d'entrée ont un effet délétère sur cette conversion ; ils nécessitent des études plus approfondies. La dernière partie est un travail numérique sur un nouveau procédé de dessalement par osmose via une phase gaz, piégée dans des nanotubes hydrophobes. Son intérêt principal est l'utilisation de nanotubes plus gros que les pores des matériaux actuellement utilisés, donc moins susceptibles de s'encrasser. Par dynamique moléculaire, nous étudions la perméabilité et la sélectivité du dispositif / The first part of this thesis is an introduction to the different energy conversion and desalination methods that will be invoked in this work. In a second part, we show that the ionic conductance of a nanopore array is sub-additive with the number of pores. Individal contributions of each pore to the global conductance tend to a null value, if the network is big enough. We note that this phenomenon only involves length ratios, and that working at a nanometric scale does not have any influence. Then, in a third part, we measure the permeability of a pore array at a macroscopic scale. There too, the effect of the array does not depend on the scale of the system. Permeability evolves inversely to conductance: permeability is enhanced by the presence of neighboring pores, but in a smaller proportion than the ionic conductance falls under the same cause. The fourth part uses the results of the two preceding ones, to determine a scaling law for the electric power produced by streaming current and diffusio-osmosis, two methods of osmotic energy conversion. We show that entrance effects have a negative impact on such conversion, more efforts are needed to understand them better and circumvent them. The fifth and last part of this thesis is a numerical work on a new desalination device. It relies on osmosis through a gas phase which is trapped within a hydrophobic nanotube. Its main interest is to use nanotubes bigger than the pores of currently used materials, thus less prone to fouling. We use molecular dynamics methods to study the permeability and selectivity of this device