Dans le domaine du photovoltaïque, les cellules hybrides organiques sont une des voies les plus prometteuses, notamment grâce aux propriétés de collection de lumière des molécules de type chromophore. Les nanotubes de carbone, quant à eux, sont des nano-objets quasi unidimensionnels qui présentent des propriétés de transport exceptionnelles. La réalisation d'un couplage important entre une molécule collectrice de lumière et un nanotube de carbone représente donc une voie importante à explorer. Ce travail de recherche est consacré à l'étude du transfert d'énergie dans les composés nanotubes de carbone/chromophore. Une nouvelle méthode de fonctionnalisation non covalente des nanotubes de carbone est présentée. Basée sur une suspension micellaire de nanotubes, cette méthode permet d'obtenir un fort taux de fonctionnalisation tout en préservant les propriétés intrinsèques des nanotubes. Le transfert d'énergie est mis en évidence sur les composés nanotube/porphyrine par des mesures d'excitation de la photoluminescence sur ensemble de nanotubes ainsi que sur objets uniques. L'évaluation du rendement quantique de transfert par trois méthodes indépendantes montre un couplage de l'ordre de 100% entre la molécule et le nanotube- et ce malgré la faiblesse des interactions entre orbitales "Pi" mises en jeu dans la fonctionnalisation non covalente. Le dernier volet de ce travail est consacré à des mesures d'anisotropie à l'échelle de l'objet unique permettant d'obtenir des informations quant à l'arrangement des molécules à la surface des nanotubes.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l'huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer nettement voire d'éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n'ont jamais été entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l'huile puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des " nanolubrifiants " ont été étudiées. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le régime limite et le régime élastohydrodynamique. Nous nous sommes tout d'abord focalisés sur les propriétés rhéologiques du mélange huile/NTCs.Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s'agréger sous la forme d'un réseau de taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l'huile de base. Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie de l'Améliorant d'Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l'huile de base. Néanmoins, nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs de lubrification, tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrification. Les NTCs présentent des propriétés réductrices de l'usure et du frottement intéressantes sous certaines conditions. Les analyses effectuées laissent supposer un rôle du catalyseur dans le mécanisme de lubrification. Les nanotubes de carbone semblent d'un grand intérêt car, ils possèdent également des propriétés tribologiques en régime élastohydrodynamique (EHD). Le mécanisme de formation des films lubrifiants a été étudié en fonction des paramètres concentrations et vitesses d'entraînement: la propagation des agrégats de NTCs à travers le contact résulte en une augmentation locale de l'épaisseur de film lubrifiant. De plus, une réduction de frottement et un décalage dans l'apparition des premières traces d'usure ont été observés à la suite d'essais tribologiques. Le mécanisme d'action des NTCs en régime de lubrification EHD est proposé dans cette partie. Cependant, les interactions entre les NTCs et les additifs présents dans les lubrifiants entièrement formulés doivent être étudiés pour optimiser la formulation de lubrifiant à base de nanotubes de carbone.

Les matrices de microélectrodes sont des puissants outils de recherche pour les neurosciences. Elles sont utilisées aussi bien pour les études fondamentales de la compréhension des échanges d'informations au sein de réseaux neuronaux que pour la réalisation de neuroprothèses. L'optimisation de ces systèmes demande la mise au point de microélectrodes biocompatibles et de faible impédance électrochimique. Les nanotubes de carbone et le diamant sont deux matériaux utilisés pour atteindre ces objectifs. Dans ces travaux de thèses ces derniers sont couplés pour bénéficier de leurs excellentes propriétés. Ce travail se divise en trois grands axes. Le premier consiste à développer une nouvelle méthode d'ancrage des nanotubes de carbone en enterrant leur base dans du diamant nanocristallin. Ce fort ancrage a pour but d'éviter toute dispersion des nanotubes pouvant conduire à des problèmes de toxicité . Dans un deuxième temps, des matrices de microélectrodes entièrement constituées de diamant ont été réalisées. Leurs propriétés électrochimiques ont été comparées à celle de microélectrodes recouvertes de nanotubes. Enfin des études préliminaires de la biocompatibilité du diamant nanocristallin et des nanotube de carbone ont été menées in-vivo et in-vitro.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet GREENANONANO né d’un partenariat entre le Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Goodyear et l’Université de Lorraine dans le but de relever un défi technologique concernant l’augmentation des performances des propriétés viscoélastiques de la gomme utilisée dans les pneumatiques. Cette gomme est un composite constitué d’un élastomère (caoutchouc naturel) renforcé par la silice et le noir de carbone. La dispersion de ces charges n’est pas optimale et tend à dégrader les propriétés mécaniques et électrostatiques et donc les performances des pneus. Faces à ces limitations industrielles, l’utilisation d’autres types de renforts tels que les nanotubes de carbone devient une alternative crédible. Etant donné que les nanotubes de carbone (NTCs) ont tendance à s’organiser en fagots, le problème de la dispersion reste à résoudre. Nous proposons dans cette thèse la mise en place d’un matériau biphasé constitué de silice mésoporeuse naturelle, appelée diatomite, sur laquelle ont été synthétisés des NTCs. La grande surface spécifique de la diatomite offre la possibilité d’y faire croître une grande densité de NTCs et d’accroître significativement la surface de contact avec la matrice polymère. Cette thèse multidisciplinaire a débuté par la synthèse de nanoparticules métalliques par ALD pour la croissance de NTCs, suivie d’un développement du procédé de croissance de NTCs sur la diatomite. L’intégration réussie des charges biphasées obtenues au sein de matrices polymériques (élastomère, thermoplastique) a permis de mesurer les propriétés mécaniques, thermiques et électriques des nanocomposites ainsi fabriqués / This thesis is part of the GREENANONANO project ensuing from a partnership between the Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Goodyear Company and Université de Lorraine, in order to address a technological challenge for increasing tires performances. The latter are directly related to the viscoelastic properties of the rubber used in tires. This gum is a composite material made by mixing an elastomeric matrix (natural rubber) and fillers (silica and carbon black). Nowadays, the filler dispersion is not optimal, which degrades the mechanical and electrostatic properties and therefore performances of tires. All these industrial limitations require the use of other types of reinforcing agents such as carbon nanotubes. Since carbon nanotubes tend to be organized into bundles, the dispersion problem still exists. We therefore propose in this thesis the synthesis of a biphased material composed by diatomite particles (natural mesoporous silica) on which are grown carbon nanotubes (CNTs). The high surface area of diatomite offers the possibility of growing a high density of CNTs, increasing the contact area with the polymer matrix. This multidisciplinary thesis started with the synthesis of metal nanoparticles by Atomic Layer Deposition (ALD) to catalyse the growth of CNTs and then a process was developed to grow CNTs on diatomite particles. The successful integration of the resulting biphased particles in polymer matrices (elastomer, thermoplastic) allowed to measure the mechanical, thermal and electrical properties of the nanocomposites thus produced

La technologie lithium-ion est largement utilisée pour le stockage de l’énergie électrique. Le graphite, fréquemment utilisé comme matériau d’anode, peut être avantageusement remplacé par des nanomatériaux hybrides, alliant la forte densité d’énergie du silicium aux nanotubes de carbone qui possèdent des propriétés électriques et mécaniques remarquables. Le procédé de Dépôt Chimique à partir d’une phase Vapeur (CVD) en lit fluidisé est particulièrement performant pour revêtir de façon uniforme des poudres, y compris des micro- et nano-poudres, par des matériaux divers. Des expériences de dépôt de silicium par CVD en lit fluidisé à partir de silane SiH4 ont été menées sur des nanotubes de carbone multiparois enchevêtrés en pelotes de 450 µm de diamètre médian (ARKEMA Graphistrength C100), couvrant la gamme de 10 à 70 % en masse de silicium déposé. Le silicium est déposé uniformément du bord jusqu’au cœur des pelotes, sous forme de nanoparticules réparties régulièrement sur les nanotubes, et dont la taille augmente avec la durée du dépôt. L’étude du comportement hydrodynamique du lit fluidisé révèle que les nanotubes de carbone fluidisent de façon homogène et avec une forte expansion, pour des vitesse de gaz modérées. Ainsi, les transferts de matière entre la phase solide et la phase gaz durant la fluidisation sont très élevés. Enfin, la capacité de cyclage charge-décharge des électrodes nanotubes de carbone - nanoparticules de silicium a été vérifiée en demi-pile au lithium. / Lithium-ion technology is widely used for electrical energy storage. Graphite, frequently used as anode material, could be usefully replaced by hybrid nanomaterials adding the great energy density of silicon to carbon nanotubes, who have remarkable electrical and mechanical properties. The Chemical Vapor Deposition (CVD) in fluidized bed process is specially performant in uniformly coating powders, including micro and nano powders, with various materials. Fluidized bed CVD of silicon experiments, from silane SiH4, have been conducted on multiwalled carbon nanotubes, entangled in pellets, 450 µm in median diameter (ARKEMA Graphistrength C100), covering a range from 10 to 70 % in total mass of deposited silicon. Silicon is uniformly deposited from shell to core of the pellets, forming nanoparticules regularly deposited on nanotubes and size-dependant to the CVD run duration. The study of hydrodynamic behavior of fluidized bed shows that carbon nanotubes fluidize homogeneously and with a wide expansion, for moderated gas velocity. Thus, mass transport between solid and gas phase during the fluidization are very high. Finally, the charge-discharge cycling capacity of carbon nanotubes - silicon nanoparticles electrodes has been checked in lithium half-cell.

Avec l'essor des nanotechnologies, se pose la question de la toxicité respiratoire et de l'impact des nanoparticules manufacturées sur des pathologies respiratoires telles que l’asthme allergique. Cette thèse a eu pour but d’étudier la toxicité respiratoire des nanotubes de carbone (NTC), figure emblématique des nanotechnologies, en lien avec leur biodistribution, chez la souris normale et dans un modèle murin d’asthme. Ce travail a porté sur des NTC à parois multiples, qui représentent plus de 95% de la production industrielle de NTC. Nos travaux ont montré que ces NTC se distribuent de façon uniforme dans les voies respiratoires de la souris, qu’ils sont internalisés par différentes cellulesrésidantes ou infiltrées (macrophages, pneumocytes de type II, neutrophiles), et qu'ils sont capables, en fonction de la dose et de la durée d'exposition, d'induire une inflammation et un remodelage des voies aériennes. Nos données ont également montré que ces NTC peuvent promouvoir la réponse à un allergène, les cellules épithéliales jouant un rôle dans cet effet. Ainsi, l’exposition aux NTC pourrait représenter un risque pour la santé respiratoire des sujets sains, mais également des sujets asthmatiques. / With the development of nanotechnologies, the question arises about the respiratory toxicity and the impact of the manufactured nanoparticles on the respiratory diseases such as allergic asthma. The aim of this thesis was to study the respiratory toxicity and biodistribution of carbon nanotubes (CNT), which are emblematic figures of nanotechnologies, in normal mice and in a murine asthma model. This work was conducted on multi-walled CNT, which represent more than 95% of the industrial production of CNT. Our data showed that CNT distribute uniformly in the mouse airways, that they areinternalized by different resident and infiltrated cells (macrophages, type II pneumocytes, neutrophils), and that they are able, according to the dose and duration of exposure, to induce an inflammatory response and a tissue remodeling. Our data also showed that CNT can promote the response to an allergen, and suggested that epithelial cells play a role in this effect. Thus, exposure to CNT could represent a risk for the respiratory health of healthy subjects and asthmatics.

Les nanotubes de carbone (CNTs) sont une nouvelle forme allotropique du carbone, décrits pour la première fois à l’échelle atomique en 1991 par Iijima. Dans ce travail de thèse, les MWCNTs portant des charges cationiques ont été fonctionnalisés, avec pour objectif d’étudier leur aptitude à complexer des acides nucléiques pour obtenir un système de délivrance génétique. Initialement, nous avons fonctionnalisé les MWCNTs avec des dendrons portant à leur extrémité des groupes ammonium ou guanidinium et leur aptitude à complexer des acides nucléiques a été évaluée par électrophorèse en gel d’agarose. En outre, nous avons fonctionnalisé et caractérisé les MWCNTs avec un peptide ciblant les mitochondries et leur habilité à se localiser à l’intérieur de ces dernières a été étudié par différentes techniques microscopiques. Ensuite, nous avons doublementfonctionnalisé les CNTs avec un dendron de deuxième génération et avec le peptide de ciblage. La capacité de ce conjugué à complexer l’ADN a finalement été confirmée par électrophorèse en gel d’agarose. / Carbon nanotubes (CNTs) are a new allotropic form of carbon described at the atomic level in 1991 by Iijima. During my thesis, carbon nanotubes bearing cationic moieties have been functionalized, in order to study their ability to complex the genetic material to obtain a gene delivery system. Initially we have functionalized MWCNTs with dendrons bearing at their termini ammonium or guanidinium groups. Their ability to complex the genetic material has been evaluated through agarose gelelectrophoresis. Moreover, we have functionalized and characterized MWCNTs with a targeting peptide for mitochondria and their ability to localize inside this organelle was studied by different microscopic techniques. Then, we have double-functionalized MWCNTs with a dendron of second generation and with the targeting peptide and the ability of this conjugate to complex DNA was confirmed by agarose gel electrophoresis.

Les matrices de microélectrodes sont des puissants outils de recherche pour les neurosciences. Elles sont utilisées aussi bien pour les études fondamentales de la compréhension des échanges d'informations au sein de réseaux neuronaux que pour la réalisation de neuroprothèses. L'optimisation de ces systèmes demande la mise au point de microélectrodes biocompatibles et de faible impédance électrochimique. Les nanotubes de carbone et le diamant sont deux matériaux utilisés pour atteindre ces objectifs. Dans ces travaux de thèses ces derniers sont couplés pour bénéficier de leurs excellentes propriétés. Ce travail se divise en trois grands axes. Le premier consiste à développer une nouvelle méthode d'ancrage des nanotubes de carbone en enterrant leur base dans du diamant nanocristallin. Ce fort ancrage a pour but d'éviter toute dispersion des nanotubes pouvant conduire à des problèmes de toxicité . Dans un deuxième temps, des matrices de microélectrodes entièrement constituées de diamant ont été réalisées. Leurs propriétés électrochimiques ont été comparées à celle de microélectrodes recouvertes de nanotubes. Enfin des études préliminaires de la biocompatibilité du diamant nanocristallin et des nanotube de carbone ont été menées in-vivo et in-vitro. / Microelectrodes array are powerfull tools for the research on neuroscience. They can be used both in basic research works to understand the flux of information within neural networks and for the creation of neural prosthese. Biocompatible microelectrode with low impedance are need for the optimization of the devices. Carbon nanotubes (CNTs) and diamond are currently thought to be good candidates to reach these goals. Both are coupled in this work to take advantages of their respective outstanding properties. The study is divided into three main parts. In the first we describe a new anchoring methode to strongly bind carbon nanotubes by burring their base into the nanocrystalline diamond. This new coupling is thought to avoid any dispersion of CNTs that could trigger some toxicity issues, and also to enhance the electronic interface between the two materials. The second part is devoted to the development of an all-diamond microelectrode array. Their electrochemical properties are compared to the carbon nanotube coated electrodes. Finally, some preliminary in-vivo and in-vitro studies were performed to evaluate nanocrystalline diamond and carbon nanotube bicompatibility.

Ce mémoire est consacré à l'optimisation de la connexion enzymatique d'enzymes pour l'oxydation du glucose et la réduction de O2 sur matrices de nanotube de carbone (CNT) dans les biopiles à glucose.Premièrement, le transfert électronique indirect de la glucose oxydase (GOx) est optimisé dans une matrice nanostructurée de CNT contenant la 1,4-naphtoquinone comme médiateur rédox. Cette bioanode a ensuite été combinée avec des biocathodes similaires à bases d'enzymes à cuivre (laccase et tyrosinase). La biopile GOx-NQ/Lac a permis d'obtenir des puissances maximales de l'ordre de 1,5 mW.cm-2. Les utilisations de cette pile en décharge courte, longue et sa stabilité dans le temps ont également été étudiées. La seconde partie présente la préparation d'une autre anode basée sur la connexion indirecte d'une glucose déshydrogènase NAD+-dépendante (GDH-NAD+) comme alternative pour l'oxydation du glucose. La GDH-NAD+ a été combinée avec un catalyseur d'oxydation de NADH par différentes méthodes. Tout d'abord, elle a été encapsulée au sein du métallopolymère rédox, puis, la modification supramoléculaire a dans un second temps permis d'immobiliser le catalyseur moléculaire et l'enzyme à la surface des CNTs. Ces deux bioanodes ont permis respectivement l'obtention de courants catalytiques d'oxydation du glucose de 1,04 et 6 mA.cm-2. La seconde bioanode a été combinée avec une biocathode à base de BOD et a permis l'obtention de densités de courants maximales de l'ordre de 140 µW.cm-2 La dernière partie concerne l'élaboration d'une biocathode bienzymatique pour la réduction de O2. Le DET de la HRP sur CNTs a dans un premier temps été optimisé par modification de la surface par différents dérivés pyrène. Ensuite, la combinaison de la GOx et de la HRP sur la même électrode a permis de réduire efficacement O2 en 2 étapes. La biocathode est capable de délivrer une densité de courant maximale de l'ordre de 200 µA.cm-2. Cette dernière, combinée avec la bioanode GDH présentée précédemment a permis d'obtenir une biopile opérationnelle en conditions physiologiques et 10 mM de NAD+, en étant capable de débiter une densité de puissance maximale de l'ordre de 57 µW.cm-2. / This work focuses on the optimization of the electrical wiring of glucose oxidizing and dioxygen reducing enzymes on carbon nanotube (CNT) matrixes for glucose biofuel cells.In the first part, glucose oxidase (GOx) mediated electron transfer (MET) is optimized in nanostructured CNTs matrixes by mechanical compression of a CNTs/GOx composite containing 1,4-naphtoquinone as redox mediator. This bioanode was then combined with MCOs (laccase and tyrosinase) based biocathodes. The GOx-NQ/Lac biofuel cell was able to deliver a maximum power density of 1.5 mW.cm-2. The use of this biofuel cell in short/long time discharge and in storage has also been studied. The second part presents the preparation of another bioanode based on the indirect wiring of a NAD+-dependant glucose dehydrogenase (GDH-NAD+) as an alternative for glucose oxidation. The GDH-NAD+ has been combined with an NADH oxidation catalyst by two different techniques. The first one involves the encapsulation of the protein in the metallopolymer redox film, whereas the second one relies on the supramolecular modification of the CNTs by the molecular catalyst and the enzyme. Both bioanodes showed good catalytic properties toward glucose oxidation in presence of NAD+ with respectively 1.04 mA cm-2 and 6 mA cm-2. The latter has been combined with a BOD based biocathode to form a biofuel cell exhibiting maximum power densities of 140 µW cm-2. The last part of this work focuses on the design of a bienzymatic biocathode for O2 reduction. The DET of horseradish peroxidase (HRP) was first investigated and optimized by modification of the CNTs with pyrenes derivatives. The combination of the HRP with the GOx on the same electrode enables an efficient reduction of O2 in a 2-step process. The biocathode could exhibit maximum currents densities of 200 µA cm-2. This cathode along with the previous GDH bioanode formed a biofuel cell functional in physiological conditions and 10 mM NAD+ showing maximum power densities of 57 µW cm-2.

La croissance de nanotubes de carbone (NTC) sur particules micrometriques d'alumine (Al2O3) permet d'obtenir une dispersion uniforme des NTC dans des matrices sans enchevêtrement de NTC. Ce type de structure hybride NTC-Al2O3 fournit également une solution prometteuse au problème de sécurité de NTC car ils intègrent NTC avec des particules micrométriques, étendant la dimension des NTC à partir de nano-échelle au micro-échelle. Cependant, l'adhérence entre les NTC et les Al2O3 particules ne permet pas de fixer efficacement les NTC. Par ailleurs, une autre préoccupation essentielle de NTC est de savoir comment créer une forte adhésion interfaciale entre les NTC et les matrices polymères pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques et de ne pas diminuer la conductivité électrique de NTC. Motivé par ces considérations, cette thèse vise à proposer plusieurs techniques concernant le dépôt d'une nano-couche conductrice sur la surface des structures hybrides NTC-Al2O3. De plus, les impacts de la nano-couche déposée sur la fixation des NTC à la surface d’Al2O3, sur la conductivité électrique des hybrides NTC-Al2O3, et sur l'adhésion interfaciale des systèmes NTC-Al2O3/epoxy composites sont étudiés en détail. / Growth of carbon nanotubes (CNTs) on micro-sized alumina (Al2O3) particles helps to achieve a uniform dispersion of CNTs in matrices without CNT entanglement. This kind of CNT-Al2O3 hybrids also provides a promising solution to the CNT safety problem since they integrate CNTs with micrometric particles, extending dimension of CNT fillers from nano-scale to micro-scale. However, the adhesion between the CNTs and the Al2O3 particles doesn’t sufficiently enable to fix the CNTs firmly and stably. Besides, another crucial concern of CNTs is how to create a strong interfacial adhesion between CNTs and polymer matrices for good mechanical properties and meanwhile not to degrade CNTs’ electrical conductivity. Motivated by these considerations, this PhD thesis aims to establishing several techniques for deposition of an electrically conductive nano-layer on the surface of CNT-Al2O3 hybrids. And the impacts of the deposited nano-layer on the fixing the CNTs on the Al2O3 surface, on bulk electrical conductivity of the CNT-Al2O3 hybrids, and on the interfacial adhesion of CNT-Al2O3/epoxy composite systems are investigated in detail.