L'objectif de cette étude est d'analyser l'évolution des propriétés calorimétriques et diélectriques d'un élastomère silicone lorsque des nanoparticules de silice (SiOx) y sont incorporées. L'obtention de ces nanocomposites a été réalisée par malaxage mécanique.<br />Les effets de la quantité (de 1 à 10% en poids) des nanoparticules de silice (15 nm de diamètre) sur les températures de transition vitreuse, de cristallisation et de fusion ont été analysés par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) de –160°C à 20°C.<br />Ces analyses ont montré que les nanoparticules sont sans effet sur la température de transition vitreuse (–127,5°C). En revanche, la température de cristallisation se décale vers des températures d'autant plus basses que l'ajout de nanoparticules dans la matrice augmente.<br />Les analyses en spectroscopie diélectrique ont été réalisées sur la bande de fréquence [1mHz – 1MHz] et dans la plage de température [–150°C; 160°C]. A basse température les résultats obtenus par DSC ont été confirmés. Les études dans les hautes températures ont permis d'identifier une relaxation de type Maxwell-Wagner-Sillars (MWS) plus importante pour les nanocomposites. Une importante diminution de<br />la conductivité est observée avec l'augmentation de la quantité de nanoparticules incorporée. Ce résultat montre l'intérêt de l'ajout de nanoparticules dans des élastomères silicones pour le renforcement de l'isolation électrique.

La dispersion de nanoparticules de fer dans des métaux liquides à température ambiante (mercure et gallium) permet d'obtenir un liquide à la fois magnétique et conducteur. Ceci est réalisé par réduction électrochimique de suspensions colloïdales de nanoparticules d'oxyde de fer sur une électrode liquide. Les mécanismes intervenant dans la transformation électrochimique de particules chargées constituées de milliers d'atomes sont mal connus. Nous avons choisi ici de décrire la réactivité de nanoparticules à l'instar d'espèces ioniques électroactives en traitant d'abord l'approche de la particule chargée vis-à-vis d'une surface chargée et ensuite le transfert électronique entre la particule et l'électrode. Il a fallu dans un premier temps comprendre les mécanismes de charge et décharge des particules en fonction des conditions expérimentales de pH, de force ionique et de fraction volumique. Cela a été possible en couplant aux méthodes de titrations chimiques, les méthodes électrocinétiques et en utilisant les outils théoriques adaptés. Ensuite, l'association de la microscopie à champ proche, des techniques optiques (réflectométrie) et des mesures électrochimiques, réalisées sur des substrats métalliques solides de très faible rugosité, nous a permis d'interpréter les résultats obtenus sur électrode liquides (mercure) et d'envisager l'adsorption contrôlée des particules. Enfin, l'étude détaillée des transformations électrochimiques montre que sous certaines conditions, les particules gardent leurs propriétés de taille et de forme après avoir subi la réaction électrochimique justifiant leur utilisation dans la préparation d'un liquide magnétique conducteur.

Ce travail de thèse s'inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l'efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L'objectif de cette thèse a été d'explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s'appuie sur l'utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l'efficacité de l'approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d'un système optique permettant d'exciter les nanostructures photoniques - la conception d'un système d'imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l'aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d'abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d'obtenir des pièges optiques dont l'efficacité est d'un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s'appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu'à l'aide de cette approche des facteurs de qualités de l'ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l'aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l'ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.

La génération de surfaces présentant des nanostructurations de surface variées et modulables est l'objectif principal de ce travail. L'auto-assemblage de copolymères à bloc ou de nanoparticules d'or a été privilégié, et nécessite pour se faire de moduler finement les interactions aux interfaces substrat/ matériaux déposés. Dans une première partie, un dispositif expérimental de greffage de silane alkyle en voie vapeur est décrit. Cette technique de greffage permet d'aboutir à des surfaces fonctionnalisées soit de façon homogène, soit de façon graduelle et ce, avec un ou deux silanes (substrat respectivement mono ou bi-composant). La robustesse, la simplicité et la flexibilité de notre procédé ont été démontrés par des caractérisations physico-chimique (mesure des propriétés de mouillabilité), chimique (spectroscopie de photoélectrons X) ainsi que par analyse topographique (microscopie à force atomique). Dans une deuxième partie, l'influence des interactions aux interfaces substrat / film sur l'auto-assemblage de copolymères à bloc PS-b-PMMA a été mise en évidence par AFM. A partir des substrats de silicium homogènes en énergie de surface, il a été possible de moduler la nanostructuration sur différents échantillons et à partir des surfaces fonctionnalisées graduellement, cette variation de nanostructuration a pu être obtenue sur un même substrat. Par l'utilisation de copolymère à bloc PS-b-PI, il est par ailleurs possible de générer des films nanostructurés sans préfonctionnalisation du substrat, sans recuit et ce quelle que soit l'épaisseur du film. Dans une troisième partie, l'influence des interactions aux interfaces sur l'assemblage capillaire/convectif dirigé de nanoparticules d'or a été démontré par microscopie à champ sombre. La nature chimique et la densité de greffage des silanes ainsi que la dimension des échantillons ont été modulées pour mettre en évidence le rôle de ces paramètres sur l'assemblage de ces particules. Cette étude montre que les interactions aux interfaces contrôlent l'assemblage des entités chimiques organiques et inorganiques et donc la nanostructuration de surface qui en résulte.

Les nano-aimants se situent à la limite entre le complexe moléculaire et l'état massif. D'un point de vue fondamental, les effets dus à la taille réduite du système et en particulier les effets de surface sont susceptibles de faire apparaitre de nouvelles propriétés. Ces propriétés peuvent être à l'origine de nouvelles applications dans des domaines comme le stockage d'information magnétique, la catalyse, la biotechnologie, le diagnostic médical ou l'énergie. Dans ce travail, des nanoparticules de 1,5 à 5 nm de diamètre ont été synthétisés par low energy cluster beam deposition (LECBD) puis encapsulées dans différentes matrices. Dans un premier temps, des systèmes modèles à base de nanoparticules de cobalt fortement diluées dans différentes matrices ont été synthétisés dans l'optique de remonter le plus précisément aux propriétés intrinsèques des nano-aimants. La suite de ce travail a consisté à augmenter la concentration en nanoparticules dans ces échantillons afin de caractériser l'influence des interactions sur le comportement magnétique macroscopique des particules. Enfin, après l'élaboration d'outils permettant de déterminer précisément les propriétés de systèmes modèles, ceux-ci ont été appliqués à des systèmes bimétalliques à fort intérêts théorique et applicatif (FeRh et FeAu). Nous avons montré que, après recuit sous ultra-vide, les nanoparticules d'alliage FeRh en matrice de carbone présentent une transition de phase A1 vers B2 sans trace de pollution ni de coalescence. Cette transition a été mise en évidence structurellement par microscopie électronique à transmission haute résolution et magnétiquement par magnétométrie à SQUID et dichroïsme magnétique de rayons X.

Les nanoparticules d'YVO4:Eu peuvent être utilisées individuellement, en tant que sondes biologiques, ou assemblées, en couches minces par exemple. Pour ces deux applications, la nanostructure de ces objets impacte fortement leurs propriétés. Sa maîtrise serait donc un atout de choix. Dans une première partie, la structuration de ces nanomatériaux au cours de leur synthèse a été suivie par diffusion des rayons X (SAXS/WAXS) couplée à une mesure de fluorescence. La première étape du mécanisme de formation consiste en la précipitation d'un hydroxyde mixte amorphe, filandreux et peu luminescent. Puis, la phase YVO4:Eu cristallise sous forme de grains de 4 nm qui apparaissent directement à leur taille finale ; on parle de nucléation pop-corn. Finalement, ces grains se réorganisent en nanoparticules hiérarchiques de 40 nm. Au cours de cette étude, il est apparu que la structure du précipité initial jouait un rôle important sur la nanostructure des particules. Dans la seconde partie, nous nous sommes focalisés sur les applications de ces particules en couches minces luminescentes et transparentes par pulvérisation. Rapidement, nous avons été confrontés à l'effet tache de café. Ce dernier est coupable de causer des dépôts anisotropes et, par conséquent, des couches diffusantes. En le supprimant progressivement, nous avons pu contrôler la forme des dépôts de gouttes uniques et ainsi faire varier la transparence des films. Ces résultats ont été appliqués à différentes particules luminescentes afin de produire les couches les plus luminescentes et les plus transparentes possibles. Finalement, l'étude a été étendue aux couches à upconversion.

Le fil conducteur de mon activité de recherche est l'étude des interactions entre le procédé de mise en œuvre, la microstructure et les propriétés des matériaux. Depuis 2004, je me suis concentré sur l'incorporation de nanoparticules inorganiques dans des matrices polymères et des matériaux composites composés d'une matrice et d'un renfort fibreux. Plusieurs mots-clés reviennent régulièrement tout le long de ce mémoire. Ils sont l'ossature de mon travail : * mesure de la morphologie et de la dispersion effectives des nanoparticules après mélange dans une matrice. Elles sont rarement prises en compte. En général on se contente de la taille des particules élémentaires sans tenir compte des phénomènes d'agrégation et d'agglomération durant la mise en œuvre. Les techniques d'analyse d'image peuvent apporter des informations micro et nano-scopiques pertinentes pour expliquer des comportements macroscopiques jugés au premier abord aberrants ; * modélisation des microstructures. L'augmentation des moyens de calcul permet d'envisager des simulations à grande échelle par dynamique moléculaire mais elles sont encore très couteuses. L'utilisation de la mécanique des milieux continus, à une échelle bien en-deçà des hypothèses fondatrices, est une solution alternative et pertinente du point de vue du ratio qualité/temps de calcul ; * comportement sous sollicitations mécaniques. Le but final de ces nouveaux matériaux est l'allègement des structures. Il est donc essentiel de connaître et d'être capable de prévoir leurs comportements sous sollicitations afin d'alimenter correctement les concepteurs de systèmes et de produits intégrant ces matériaux. Les essais mécaniques à l'échelle macroscopique restent aujourd'hui le meilleur moyen de déterminer ces lois de comportement. A ceci s'ajoute le développement d'essais mécaniques originaux nécessaires pour étudier ces matériaux aux structures et propriétés nouvelles.

Ce travail décrit une nouvelle route synthétique qui a pour objectif l'obtention de diblocs amphiphiles constitués uniquement d'oligosaccharides issus de xyloglucanes des graines de Tamarin. Les xylogluco-oligosaccharides (XGOs, DP7, 8, 9) de tailles parfaitement définies ont été obtenus par une digestion enzymatique contrôlée (cellulase) de xyloglucanes. Dans la perspective de lier les deux blocs par cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen catalysée par le Cuivre I, dite aussi chimie " click ", les XGOs ont subit une réaction d'amination réductrice assistée par micro-ondes. L'action de la propargylamine a permis d'intégrer en position réductrice du XGO la fonction alcyne et une peracétylation des focntions hydroxyles du sucre ont rendu ce bloc hydrophobe. D'un autre côté, l'azidoethylamine a permis d'insérer la fonction azoture et constitue le bloc hydrophile. Cette stratégie de synthèse a également été transposée à un oligosaccharide monodisperse (XGO, DP7) provenant de la dégalactosylation enzymatique du xyloglucane par l'action supplémentaire de la galactosidase d'Aspergillus Niger. Finalement, les diblocs amphiphilies ont été synthétisé aussi bien à partir des XGOs de DP7, 8, 9 (XGO-b-XGO,Ac), que du XGO DP7 (DP7-b-DP7,Ac). Leurs propriétés d'auto-assemblages dans l'eau ont été réalisées ainsi que leur caractérisation physico-chimique. Suite à des mesures de concentration micellaire critique (CMC) obtenus par spectroscopie de fluorescence du pyrène, nous avons observé que l'élimination des unités de galactose provoque une augmentation de la CMC. La détermination du diamètre des micelles en solution aqueuse a été réalisée grâce à la technique de diffusion de la lumière (DLS) et a été confirmée par microscopie électronique à transmission (MET). Des micelles sphériques d'une taille moyenne de 25 nm (XGO-b-XGO,Ac) et de 6 nm (DP7-b-DP7,Ac) ont été observées au MET. La digestion enzymatique partielle des micelles formés à partir du dibloc XGO-b-XGO,Ac dans l'eau, conduisant à la formation des micelles DP7-b-XGO,Ac a conduit à un système moins polydisperse et à une diminution de la taille moyenne du diamètre micellaire de l'ordre de 50% (déterminée par DLS). Des nanoparticules de gliadine et de zéine ont été préparées par désolvatation en utilisant le dibloc XGO-b-XGO,Ac comme surfactant en comparaison au surfactant commercial non-ionique, le Pluronic F68. Les résultats suggèrent la capacité du dibloc à stabiliser la protéine de zéine sous forme de nanoparticules sphériques et de façon relativement monodisperses. Les particules formées et stabilisées grâce à l'association de protéines d'origine végétale et d'un surfactant " biopolymérique " synthétisé uniquement par des oligosaccharides, apparaissent comme des systèmes idéaux, associant biocompatibilité, biodégradabilité et des origines naturelles et renouvelables. Ces systèmes peuvent tout à fait être valorisés pour la libération contrôlée de substances actives.

L’ingénierie protéique servant autrefois à comprendre les relations structures-fonctions des protéines connait un tournant majeur depuis plusieurs années. L’ingénierie protéique évolue pour créer des nouvelles fonctions protéiques : c’est la naissance de l’ingénierie protéique moderne. L’objectif de ma thèse a consisté à mettre en place et caractériser deux approches indépendantes d’ingénierie protéique dans le domaine du vaccin et du diagnostic. Le premier projet consistait à générer des ligands protéiques à partir d‘échafaudages moléculaires (des alternatifs aux anticorps) en couplant le ribosome display au NGS et en développant des outils d’analyses bio-informatiques. Des sélections contre des cibles protéiques d’origine bactérienne et virale ont conduit à l’identification de ligands Affibodies affins (µM au nM). Leur caractérisation a validé leur potentiel comme outil de recherche et de réactif diagnostique. Ces études ont permis de valider la plateforme de génération des ligands mise en place, en augmentant l’exploration de l’espace de diversité des interactions des ligands. Le second projet portait sur le développement d’une plateforme de présentation et de vectorisation à partir de particules d’encapsuline. Elles ont été génétiquement modifiées pour présenter de manière répétée à leur surface l’ectodomaine de la protéine de matrice M2 (M2e) du virus Influenza A H1N1 tout en encapsulant une protéine hétérologue : l’eGFP. Les nanoparticules modifiées sont correctement formées et encapsulent l’eGFP. Des souris immunisées par ces particules induisent une réponse anticorps spécifique contre l’épitope M2e et l’eGFP. L’utilisation de ces nanoparticules comme plateforme vaccinale de présentation et de vectorisation est prometteuse et ouvre la voie pour d’autres applications en biotechnologie / In the past, protein engineering used to understand function and structure relationship. But since few years, protein engineering was used to create new protein functions: modern protein engineering was born. The aim of my thesis was to set up and characterize two approaches of protein engineering in diagnostic and vaccine field. The first project was to generate artificial binder using protein scaffolds as an alternative to antibodies by coupling ribosome display (RD) to NGS and developing bio-informatics tools. Screening and selection against bacterial and viral targets have led to affibody binder’s identification with an affinity range from µM to nM. Their characterization has validated their potential as research tools and protein reagents for diagnostic assay. Coupling ribosome display to high throughput sequencing as means to directly identify selected binder coding sequences, enormously enhance binder discovery depth. The second project was to generate an innovative nanocarrier based on encapsulin nanoparticle, for customized peptide display and cargo protein vectorization. Encapsulin particles from T.maritima were genetically modified for simultaneous display of the matrix protein 2 ectodomain of the influenza H1N1 A virus and heterologous protein eGFP packaging. Genetically engineered encapsulin nanoparticles were well-formed and abled to efficiently load eGFP. Immunogenicity studies revealed antibody responses against both the surface epitope and the loaded cargo protein. Taken together, this display system is a versatile tool for rational vaccine design and paves the way for new applications in the research fields of vaccine, antimicrobial research and other biotechnological applications

Les pinces optiques permettent de piéger et de manipuler des objets sans contact physique avec de la lumière et ce avec une extrême précision. Son caractère non-invasif et non-destructif en fait un outil idéal pour des applications dans des domaines tels que la biophysique et la médecine. La pince optique conventionnelle utilise un faisceau lumineux fortement focalisé par un objectif de microscope.La fibre optique est un composant très intéressant dans ce domaine puisqu'elle permet de guider la lumière et de piéger optiquement des objets sans l'utilisation de composants optiques encombrants et en limitant des étapes d'alignement. Elle donne ainsi une grande flexibilité et compacité aux pinces optiques.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été de développer une pince optique à deux fibres nano-structurées dans le but de piéger des particules de taille micro et nanométrique.Notre pince est constituée de deux fibres optiques gravées chimiquement en forme de pointe et positionnées en vis-à-vis à des distances typiques de 20 nm à 20 µm. Cette configuration à deux faisceaux contra-propagatifs permet d'annuler la pression de radiation de la lumière. Elle a l'avantage d'obtenir un piégeage efficace pour des intensités lumineuses relativement faibles. En outre, les faisceaux ne doivent pas nécessairement être fortement focalisés. Notre dispositif présente une grande souplesse grâce au contrôle in-situ de la position des fibres, l'injection de la lumière dans les fibres et la manipulation de particules individuelles sans aucun substrat.Au cours de ces travaux, nous avons démontré expérimentalement le piégeage stable et reproductible d'une ou plusieurs particules en suspension. Divers types de particules diélectriques ont été piégées, allant de la particule en polystyrène d'un micromètre à des particules luminescentes de YAG:Ce mesurant 60 nm de diamètre. Ces dernières ont été élaborées et optimisées spécifiquement pour le piégeage optique lors de ces travaux.Nous avons également mesuré les forces optiques appliquées aux particules piégées en analysant leur mouvement Brownien résiduel. Nous avons démontré que le potentiel de piégeage était harmonique, nous permettant de définir la constante de raideur optique.Enfin nous avons démontré qu'en modifiant la forme du faisceau optique d'émission, il était possible d'améliorer certaines caractéristiques de la pince. D'une part, les faisceaux quasi-Bessel qui sont très peu divergents nous ont permis de réaliser un piégeage stable et efficace à grande distance.D'autre part, l'utilisation de pointes métallisées permet de confiner le champ et d'améliorer les forces optiques tout en diminuant l'intensité lumineuse. Nous avons mis en évidence le couplage en champ proche entre deux pointes métallisées qui ont été spécialement élaborées pour la pince. Ces derniers résultats ouvrent des perspectives encourageantes pour le développement d'une pince plasmonique fonctionnant en champ proche qui est particulièrement bien adaptée pour le piégeage de nanoparticules. / Optical tweezers allow to trap and manipulate objects without any mechanical contact with light and with an extreme accuracy. This non-invasive and non-destructive technique is of large interest in many scientific domains such as biophysics and medicine. Conventional optical tweezers use a laser beam which is strongly focalised by a microscope objective.The use of optical fibers attracts increasing attention as highly flexible and compact tools for particle trapping. Fiber-based optical tweezers do not require bulky optics and require only little alignments.In this context, the objective of this thesis was to develop a dual fiber nano-tip optical tweezers in order to trap particles with micro and nano-meter sizes. Our tweezers consist of two chemically etched optical fiber tips placed in front of each other with typical gaps from 20~nm to 20~µm. This dual contra-propagative beams configuration allow to cancel light radiation pressure. Efficient trapping can thus be obtained at relative low light intensities. Moreover, strong focusing is not required. Our device present an high flexibility due to in situ optimization and control of the fibre positions and individual particle manipulation without any substrate.During our work, we experimentally demonstrated stable and reproducible trapping of one or several particles in suspension. Various dielectric particles were trapped, from one micrometer polystyrene beads to luminescent YAG:Ce particles with diameters down to 60~nm. During this thesis, the latter were specifically elaborated and optimized for the optical trapping. We also measured optical forces applied to trapped particles by analysing their residual Brownian motion. We showed the trapping potential is of harmonic shape, allowing to define its optical stiffness.vspace{10pt}Finally, by modifying the emitted optical beam shape, we were able to improve specific tweezers characteristics. On one hand, nondiffracting quasi-Bessel beams allow us to get a stable trapping at large fiber-to-fiber distances.On the other hand, the use of metallised fiber tips allows to improve the beam confinement and enhance optical forces while reducing light intensity. We proved the near-field coupling between two metallised tips which were especially elaborated in this work. Those last results open promising perspectives for the development of plasmonic tweezers working in the near-field, which are especially well adapted for nano-particles trapping.