La forêt boréale, seconde aire biotique terrestre sur Terre, est actuellement considérée comme un réservoir important de carbone pour l'atmosphère. Les modèles basés sur le processus des écosystèmes terrestres jouent un rôle important dans l'écologie terrestre et dans la gestion des ressources naturelles. Cette thèse examine le développement, la validation et l'application aux pratiques de gestion des forêts d'un tel modèle. Tout d'abord, le module récemment développé d'échange du carbone TRIPLEX-Flux (avec des intervalles de temps d'une demi heure) est utilisé pour simuler les échanges de carbone des écosystèmes d'une forêt au peuplement boréal et mixte de 75 ans dans le nord est de l'Ontario, d'une forêt avec un peuplement d'épinette noire de 110 ans localisée dans le sud de Saskatchewan, et d'une forêt avec un peuplement d'épinette noire de 160 ans située au nord du Manitoba au Canada. Les résultats des échanges nets de l'écosystème (ENE) simulés par TRIPLEX-Flux sur l'année 2004 sont comparés à ceux mesurés par les "tours de mesures de covariance des turbulences" et montrent une bonne correspondance générale entre les simulations du modèle et les observations de terrain. Le coefficient de détermination moyen (R2) est approximativement de 0.77 pour le peuplement mixte boréal, et de 0.62 et 0.65 pour les deux forêts d'épinette noire situées au centre du Canada. Le modèle est capable d'intégrer les variations diurnes de l'échange net de l'écosystème (ENE) de la période de pousse (de mai à août) de 2004 sur les trois sites. Le peuplement boréal mixte ainsi que les peuplements d'épinette noire agissaient tous deux comme des réservoirs de carbone pour l'atmosphère durant la période de pousse de 2004. Cependant le peuplement boréal mixte montre une plus grande productivité de l'écosystème, un plus grand piégeage du carbone ainsi qu'un meilleur taux de carbone utilisé comparé aux peuplements d'épinette noire. L'analyse de la sensibilité a mis en évidence une différence de sensibilité entre le matin et le milieu de journée, ainsi qu'entre une concentration habituelle et une concentration doublée de CO2. De plus, la comparaison de différents algorithmes pour calculer la conductance stomatale a montré que la production nette de l'écosystème (PNE) modélisée, utilisant une itération d'algorithme est conforme avec les résultats utilisant des rapports Ci/Ca constants de 0.74 et de 0.81 respectivement pour les concentrations courantes et doublées de CO2. Une variation des paramètres et des données variables de plus ou moins 10% a entrainé, respectivement pour les concentrations courantes et doublées de CO2, une réponse du modèle inférieure ou égale à 27.6% et à 27.4%. La plupart des paramètres sont plus sensibles en milieu de journée que le matin excepté pour ceux en lien avec la température de l'air, ce qui suggère que la température a des effets considérables sur la sensibilité du modèle pour ces paramètres/variables. L'effet de la température de l'air était plus important dans une atmosphère dont la concentration de CO2 était doublée. En revanche, la sensibilité du modèle au CO2 qui diminuait lorsque la concentration de CO2 était doublée. Sachant que, les incertitudes de prédiction des modèles proviennent majoritairement des hétérogénéités spatio-temporelles au cœur des écosystèmes terrestres, à la suite du développement du modèle et de l'analyse de sa sensibilité, sept sites forestiers à tour de mesures de flux (comportant trois forêts à feuilles caduques, trois forêts tempérées à feuillage persistant et une forêt boréale à feuillage persistant) ont été sélectionnés pour faciliter la compréhension des variations mensuelles des paramètres du modèle. La méthode de Monte Carlo par Markov Chain (MCMC) à été appliquée pour estimer les paramètres clefs de la sensibilité dans le modèle basé sur le processus de l'écosystème, TRIPLEX-Flux. Les quatre paramètres clefs sélectionnés comportent: un taux maximum de carboxylation photosynthétique à 25°C (Vmax), un taux du transport d'un électron (Jmax) saturé en lumière lors du cycle photosynthétique de réduction du carbone, un coefficient de conductance stomatale (m), et un taux de référence de respiration à 10°C (R10). Les mesures de covariance des flux turbulents du CO2 échangé ont été assimilées afin d'optimiser les paramètres pour tous les mois de l'année 2006. Après que l'optimisation et l'ajustement des paramètres ait été réalisée, la prédiction de la production nette de l'écosystème s'est améliorée significativement (d'environ 25%) en comparaison avec les mesures de flux de CO2 réalisés sur les sept sites d'écosystèmes forestiers. Les résultats suggèrent, dans le respect des paramètres sélectionnés, qu'une variabilité plus importante se produit dans les forêts à feuilles larges que dans les forêts d'arbres à aiguilles. De plus, les résultats montrent que l'approche par la fusion des données du modèle incorporant la méthode MCMC peut être utilisée pour estimer les paramètres basés sur les mesures de flux, et que des paramètres saisonniers optimisés peuvent considérablement améliorer la précision d'un modèle d'écosystème lors de la simulation de sa productivité nette et cela pour différents écosystèmes forestiers situés à travers l'Amérique du Nord. Finalement, quelques uns de ces paramètres et algorithmes testés ont été utilisés pour mettre à jour l'ancienne version de TRIPLEX comportant des intervalles de temps mensuels. En outre, le volume d'un peuplement et la quantité de carbone de la biomasse au dessus du sol des forêts d'épinette noire au Québec sont simulés en relation avec un peuplement des âges, cela à des fins de gestion forestière. Ce modèle a été validé en utilisant à la fois une tour de mesure de flux et des données d'un inventaire forestier. Les simulations se sont avérées réussies. Les corrélations entre les données observées et les données simulées (R2) étaient de 0.94, 0.93 et 0.71 respectivement pour le diamètre à l.3 m, la moyenne de la hauteur du peuplement et la productivité nette de l'écosystème. En se basant sur les résultats à long terme de la simulation, il est possible de déterminer l'âge de maturité du carbone du peuplement considéré comme prenant place à l'époque où le peuplement de la forêt prélève le maximum de carbone, avant que la récolte finale ne soit réalisée. Après avoir comparé l'âge de maturité du volume des peuplements considérés (d'environ 65 ans) et l'âge de maturité du carbone des peuplements considérés (d'environ 85 ans), les résultats suggèrent que la récolte d'un même peuplement à son âge de maturité de volume est prématuré. Décaler la récolte d'environ vingt ans et permettre au peuplement considéré d'atteindre l'âge auquel sa maturité du carbone prend place, mènera à la formation d'un réservoir potentiellement important de carbone. Aussi, un nouveau diagramme de la gestion de la densité du carbone du peuplement considéré, basé sur les résultats de la simulation, a été développé pour démontrer quantitativement les relations entre les densités de peuplement, le volume de peuplement et la quantité de carbone de la biomasse au dessus du sol à des stades de développement variés, dans le but d'établir des régimes de gestion de la densité optimaux pour le rendement de volume et le stockage du carbone. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : écosystème forestier, flux de CO2, production nette de l'écosystème, eddy covariance, TRIPLEX-Flux module, validation d'un modèle, Markov Chain Monte Carlo, estimation des paramètres, assimilation des données, maturité du carbone, diagramme de gestion de la densité de peuplement

Les forêts du Bouclier boréal stockent de grandes quantités de carbone (C) sous forme de C organique du sol (COS). Toutefois, l'intégrité de ces stocks de COS est menacée par les changements climatiques, mais aussi par la modification de la composition forestière à l'échelle du paysage. En effet, chaque espèce d'arbre possède des traits fonctionnels différents lui permettant d'avoir une influence singulière sur son environnement et sur des processus comme l'accumulation, le stockage et la libération du COS. L'acquisition de connaissances sur la dynamique du COS en forêt boréale est fondamentale pour prédire et atténuer les conséquences de tels changements. L’objectif de cette thèse était d'explorer l'influence de la composition forestière (1) sur la quantité, la distribution et la qualité du COS et sa stabilité face au réchauffement, (2) sur la répartition du COS dans des fractions physiques de sol qui varient en stabilité, et (3) sur les pertes annuelles de CO2 in situ et les facteurs responsables de la variation entre les types de forêts. Collectivement, les résultats montrent que la composition forestière affecte grandement la dynamique du COS en forêt boréale. L'influence de la composition forestière sur les pertes de CO2 se faisait surtout via des variations dans la température du sol et dans la qualité biochimique du C produit dans les types de forêts étudiées. En général, les forêts contenant du peuplier faux-tremble accumulaient moins de COS en surface que les forêts contenant des conifères (pin gris et épinette noire), mais il y en avait davantage en profondeur, endroit où le C est moins susceptible d'être libéré dans l'atmosphère et donc plus stable. Les forêts contenant du peuplier avaient aussi davantage de COS situé dans les fractions physiques du sol les plus stables, c'est-à-dire celles étroitement associées aux particules minérales. Bien que les forêts d'épinettes noires soient celles qui possédaient la plus grande quantité de COS de surface de tous les types de forêts étudiées, ce COS était le plus sensible à l'augmentation de la température de sorte que sa réponse au réchauffement se traduisait par une libération de CO2 plus élevée. De plus, comme le stock de COS de surface des conifères est en partie liée à un microclimat du sol plus froid induit par le peuplement, la libération du CO2 suite à des perturbations qui ouvriraient le couvert ou en changeraient la composition pourrait être plus importante que dans les forêts de feuillus. En conclusion, les résultats de cette thèse suggèrent que le rajeunissement des forêts et notamment l'augmentation du couvert de peuplier faux-tremble dans le paysage diminuerait la taille des stocks de COS, mais en augmenterait la stabilité. Par ailleurs, les forêts d'épinettes noires, qui possèdent d'importants stocks de COS et qui dominent la forêt boréale canadienne, pourraient perdre de grandes quantités de COS suite au réchauffement du climat ou à une transformation du couvert. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : forêt boréale, composition forestière, séquestration du carbone, matière organique du sol, changements climatiques

Les changements climatiques et ses effets potentiels sur les systèmes environnementaux renforcent la nécessité de stratégies de gestion forestière qui augmentent l'adaptabilité et la capacité de séquestration du carbone (C) forestier. Un modèle qui évalue avec précision les changements dans la productivité des forêts et des stocks de C en réponse aux changements climatiques et la gestion des forêts va nous permettre d'évaluer l'impact des changements globaux sur les forêts. L'objectif de cette thèse était d'améliorer la compréhension de la façon dont les forêts existantes séquestrent une plus grande quantité de C à cause des changements climatiques mondiaux au moyen de stratégies d'aménagement forestier. Tout d'abord, un module de gestion des forêts incluant un modèle (TRIPLEX) basé sur les processus a été développé pour quantifier les effets des pratiques d'aménagement forestier (coupes d'éclaircie et coupes à blanc) sur la croissance des forêts, le rendement du bois et la séquestration du C en réponse à des conditions climatiques pour les forêts de pin gris (Pinus banksiana Lamb.). Ce modèle récemment mis au point (TRIPLEX-Management) a ensuite été utilisé pour étudier les moyens d'accroître la séquestration du C dans les forêts de pin gris en utilisant la gestion des forêts exploitées par l'industrie forestière pour la production de bois à long terme. Pour accroître la crédibilité et l'applicabilité du modèle, il a été validé par rapport à des sources de données multiples (mesures de eddy covariance, de stocks de C et de données de croissance d'arbres) et, par la suite, a été utilisé dans la projection des effets potentiels des changements climatiques et des coupes à blanc sur la dynamique du C de la forêt boréale (Populus tremuloides Michx.) et des forêts de pin gris. Finalement, les relations entre la diversité structurelle et les stocks de C dans les forêts dominées par l'épinette ont été examinées par analyse de corrélation, de régression linéaire multiple et de corrélation partielle. Dans le développement du modèle, la validation de ce dernier a montré que le « TRIPLEX-Management » a été généralement capable de simuler la réponse de croissance aux éclaircies pré-commerciales des peuplements de pins gris. Dans l'analyse des scénarios de gestion forestière, les résultats des simulations ont montré que les rotations courtes (10-20 ans par exemple) pourraient améliorer l'absorption du C et diminuer le risque des changements climatiques sur les forêts de pin gris. Les effets positifs des forêts éclaircies sur la production de bois ont été éliminés par le réchauffement climatique. En outre, un éventuel changement climatique sur la limite sud de la forêt boréale en Amérique du Nord pourrait améliorer le taux de séquestration du C s'il n'y avait pas d'épisodes de sécheresse sévère. Dans les forêts dominées par l'épinette, l'analyse statistique pour 411 placettes-échantillons permanentes a confirmé que la diversité structurelle du peuplement a eu un effet positif significatif sur les stocks de C hors sol, même si la relation était faible dans l'ensemble (les coefficients de corrélation de Spearman sont généralement de l'ordre de 0,319-0,600, P<0,01). En résumé, cette thèse présente une tentative d'améliorer notre compréhension du rôle de la gestion des forêts dans l'atténuation et dans l'adaptation des forêts aux changements climatiques. En conséquence, le raccourcissement de l'âge de rotation peut être nécessaire pour les forêts de trembles et de pins gris dans le but d'augmenter la séquestration du C pour une échelle donnée temporelle, et diminuer le risque des impacts des changements climatiques. Le maintien de la complexité de la composition et de la structure peut aider les forêts à s'adapter aux futures conditions environnementales et à absorber les perturbations (par exemple, les insectes, les maladies, les incendies, ou les sécheresses). Cette thèse a des implications pratiques pour l'utilisation de stratégies d'aménagement forestier pour atténuer les effets des changements climatiques futurs. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : distribution des diamètres, gestion des forêts, gestion du carbone, hypothèse de la complémentarité de niches, indice del Shannon-Wiener, analyse de scénarios, durée de la rotation

Le piégeage et la manipulation d'objets à la surface d'un guide d'onde est une approche intéressante, qui permet d'envisager des développements nouveaux dans le domaine des microsystèmes intégrés. Mais la mise au point de tels dispositifs, était jusqu'à maintenant limitée par la difficulté à comprendre et à maîtriser les phénomènes physiques mis en jeu dans une expérience. Ces points-clé empêchaient la démonstration de la manipulation d'objets biologiques, comme des cellules, sur ces structures. L'utilisation de guides d'ondes optiques représentatifs de technologies de fabrication différentes nous a ainsi permis de juger expérimentalement des forces et des faiblesses propres à chaque technologie et déterminer les conditions les plus favorables en vue d'un déplacement de matériel biologique. L'utilisation de guides en nitrure de silicium a permis une amélioration significative des performances de piégeage et de manipulation de particules sur ces structures.<br />Ceci nous a ainsi permis de réaliser un démonstrateur de propulsion optique et a rendu possible l'application de cette technologie à des objets de masse ou de taille supérieures ainsi qu'à d'autres domaines scientifiques, comme la chimie ou la biologie. Nous avons effectué la première démonstration expérimentale à notre connaissance de la propulsion d'objets biologiques par ondes évanescentes. En particulier, nous avons réalisé des expériences de tri cellulaire de sous-populations dans un mélange. Ceci démontre la capacité à réaliser, sur une faible surface, des expériences biologiques simples grâce à de tels dispositifs et renforce l'espoir d'utiliser une telle technique dans une approche de type laboratoire-sur-puce.

Lorsqu'ils sont exposés à l'eau de pluie et au dioxyde de carbone, les résidus miniers de l'exploitation du chrysotile capturent le CO2 grâce à une réaction de minéralisation du carbone. Ce phénomène a largement été étudié en laboratoire mais demeure mal compris à l'échelle d'une halde de stériles. Deux forages ont été réalisés au centre d'une halde à résidus miniers de Thetford Mines (Qc, Canada) dans le but de documenter la distribution spatiale de la réaction de carbonatation et d'identier sa signature pétrophysique. Les propriétés physiques des résidus miniers ont été évaluées à partir d'échantillons de la carotte de forage. An d'identier la signature pétrophysique des zones favorables à la carbonatation minérale, des diagraphies de géoradar, résistivité électrique et susceptibilité magnétique ont été réalisées. L'altération liée à la minéralisation du carbone n'est pas uniforme dans la halde, étant donné les variations de perméabilité à l'air et à l'eau. Des chemins d'écoulement préférentiels à l'air facilitent la carbonatation en profondeur en augmentant la quantité de CO2 qui entre dans la halde. Une hausse de résistivité électrique accompagnée d'une baisse de susceptibilité magnétique peuvent servir d'indicateur des zones aux conditions favorables pour la réaction de minéralisation du carbone. En effet, les carbonates qui sont résistifs précipitent entre les résidus de manière à les cimenter. La croissance des carbonates limite également la présence d'eau dans l'espace poreux ce qui contribue à l'augmentation de la résistivité électrique. La baisse de la susceptibilité magnétique, quant à elle, est attribuable à la destruction partielle de la magnétite pendant le processus de carbonatation et de météorisation. Le fer libéré lors de l'altération de la magnétite et de la serpentine est accumulé à la surface des grains et alimente la formation de goethite. Le degré d'altération de la magnétite est un indicateur du niveau de météorisation in-situ des résidus. Ces résultats sont la première étape pour suivre le progrès de la réaction de carbonatation dans le temps et pour quantier le volume de CO2 séquestré dans une pile de résidus miniers. / When exposed to rainwater and carbon dioxide, magnesium rich mining wastes spontaneuously capture CO2 through carbon mineralization. Extensively studied in the laboratory, this reaction is still ill-understood at the scale of industrial mining waste pile. In order to document the spatial distribution of carbon mineralization and identify its petrophysical signature, two holes were drilled at the center of a tailings pile in Thetford Mines, Qc, Canada. The physical properties of the mining residues were evaluated from drill core samples. The petrophysical signature of zones favorable for carbon mineralization was investigated using electrical resistivity, magnetic susceptibility and borehole radar data. These data showed that the variations of air and water permeability cause alterations that are related to carbon mineralization not being uniform throughout mining wastes. Preferential air-ow can enhance carbonation at depth by increasing the amount of CO2 that reaches the interior of the waste pile. The growth of carbonates which are resistive isolate the grains and restrict water ingress and contributes to the observed increases in electrical resistivity. The decrease in magnetic susceptibility during carbonation is attributed to the partial destruction of magnetite. The iron released during the alteration of magnetite and serpentine is accumulated on the grain surface and feeds the formation of goethite. The level of destruction of the magnetite provides insights into the level of alteration caused by in-situ weathering of the mining wastes. Therefore, an increase in electrical resistivity accompanied by a decrease in magnetic susceptibility can serve as an indicator for zones with favorable conditions for the carbon mineralization reactions. These results represent the rst step towards quantifying the volume of CO2 captured in these mining residues and track the progress of the reaction with time.

Dans cette thèse, les mécanismes de rayures en contact glissant sur des empilements de couches minces de faible adhésion ont été étudiés grâce à un tribomètre bille/plan à vision in-situ. Dans le cadre de ce travail, des expériences ont été menées sur un empilement modèle : verre/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 et l'impact de plusieurs paramètres a été étudié : force, taille de la bille, épaisseur de la surcouche, adhésion et coefficient de frottement.Nous avons montré que la rayure se déroule en trois phases successives : initiation, développement et régime stationnaire. L'initiation débute par une fissuration transverse de l’empilement suivi par un délaminage due à la bifurcation de la fissure à l’interface au-dessus de l’argent. Seule la taille caractéristique de ces phénomènes dépend de paramètres comme l'épaisseur des couches ou l'adhésion. Après l'initiation, un phénomène de plissage en milieu confiné se produit et permet de débuter la construction d'un tas de débris à l’avant du frotteur par accumulation. Finalement, en régime stationnaire, on constate que la rayure est uniquement pilotée par l’interaction entre le tas de débris et la couche. On a montré que la complexité de cette interaction rend toute mesure d’adhésion à partir des caractéristiques post-mortem de la rayure quasi-impossible.Finalement, il a été montré qu'il est possible d'améliorer la résistance à la rayure d’un empilement en texturant à l'échelle nanométrique sa couche d'argent. L’origine de cette amélioration vient d’une augmentation de l'adhésion par un effet de piégeage qui a été étudié à l'aide d'expériences de clivage. / In this PhD thesis, the scratch mechanisms during sliding contact on thin layers with low adhesion have been investigated with a ball on plane tribometer that allows in-situ microscopic observations. In this work, experiments were carried out on glass/ZnO/Ag/ZnO/Si3N4 model stacks and the impact of several parameters was studied: force, size of the ball, thickness of the overcoat, adhesion and friction coefficient.We have shown that the scratch process has three successive phases: initiation, development and steady state. Initiation begins with transverse cracks in the stack followed by delamination due to crack bifurcation at the interface above the silver layer. Only the characteristic size of these phenomena depends on parameters such as the thickness of the layer or its adhesion. After initiation, a phenomenon of pleating occurs even if confined under the contact and leads to the building of a pile of debris at the front of the contact zone by accumulation. Finally, in steady state, the scratch is only driven by the interaction between the pile of debris and the layers. It has been shown that the complexity of this interaction makes quasi-impossible any measure of adhesion based on the post mortem characteristics of the scratch.Finally, it has been shown that it is possible to improve the scratch resistance of a stack by patterning its silver layer at nanoscale. The origin of this improvement derives from an increase of adhesion due to pinning effect which has been demonstrated by using cleavage experiments.

Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique. / The aim of this thesis is to study the spatio-temporal dynamics of laser cooled atoms in a magneto-optical trap (MOT). Recent works have shown that in the multiple scattering regime, an atomic cloud can have an unstable behavior without external modulation of the system. Nevertheless, these instabilities have not yet been modeled in a satisfactory way. A new configuration of the MOT has been built up as a possible way to study instabilities in only one direction. This trap, called anisotropic MOT, is not made of laser beams with the same laser frequencies along each direction of space. It exhibits the strong couplings between the directions of the trap, with the result that it cannot be used to reduce the number of directions in which instabilities grow up. However, this study can be considered as a new step to a better 3D description of the MOT physics. In particular, it gives us a way to measure the probability that a scattered photon is reabsorbed inside the atomic cloud. This quantity is a characteristic of the MOT but it has never been measured so far. We also develop a 1D spatio-temporal model of the MOT. It consists in a set of coupled nonlinear equations linking the atomic density and the laser intensities. This set contains a Vlasov-Fokker-Planck equation which is used to model a lot of systems in various fields and not only in physics. Numerical simulations have been done in a simple case. In the experiment, the use of a fast video camera allows us to observe the spatial structure of one type of instabilities, the so-called stochastic instabilities.

La microfluidique est une branche récente de la science et de la technologie. Ces quinze dernières années, son développement et son succès ont été principalement dus au concept de labo sur puce (lab-on-a-chip). Ces dispositifs miniaturisés, qu'intègrent plusieurs fonctions de laboratoire, ont été d'un grand intérêt dans différents domaines comme la Physique, la Chimique et la Bio-ingénierie. Lorsque un fluide est confiné dans une structure micro ounanométrique, son comportement est fortement influencé par les interactions avec les surfaces qui l'entourent. Dans ce contexte, la problématique du glissement du fluide sur le solide a été largement étudiée soit théoriquement, soit expérimentalement. Des nouvelles technologies, destinées à augmenter le glissement se sont déjà avérées être une méthode très efficace pour la réduction du frottement fluide/solide. Dans ce contexte, les surfaces superhydrophobes ont sucité l'intérêt de la communauté scientifique et technologique grâce au grand glissement à la paroi qui caractérise ces surfaces. Même si le comportement de ces surfaces a été largement étudié par différentes méthodologies théoriques et numériques, l'approche expérimentale est encore indispensable pour tester et comprendre les propriétés de ces surfaces. Cette thèse a commencé et s'est développée dans un projet plus large qui porte sur la mise en place d'une nouvelle technique pour l'analyse du glissement liquide/solide sur les surfaces superhydrophobes à travers les pièges optiques. Ce manuscrit développe les étapes du projet de recherche qui concernent différents domaines scientifiques comme l'optique, la microscopie, la science des surfaces, la microhydrodynamique, la microfludique et la microfabrication. Les recherches présentées dans cette thèse sont divisées par deux catégories: i) micromanipulation et microscopie holographique, ii) superhydrophobie. / Microfluidics is a very recent branch of science and technology. The development and the success, it has had in the last 15 years, is mainly due to the concept of lab-on-a-chip. Those miniaturized devices, integrating one or more laboratory functions, have aroused great interest among several research areas as physics, chemistry, biology and bioengineering. When a fluid is confined in a micro or nano scale structure, its behaviour is strongly affected by its interactions with the surrounding surfaces. In this context, the theme of fluid/solid slippage has been widely studied both theoretically and experimentally. Innovative technologies to enhance the surface slippage by specifically designing the solid interfaces have reportedly demonstrated to be an effective way to reduce the fluid/solid friction. To this end, superhydrophobic surfaces have increasingly attracted the interest of the scientific and technological community thanks to the large wall-slippage they present for liquid water. Though their behaviour has been extensively investigated through several theoretical and numerical methods, the experimental approaches are still indispensable to test and understand the properties of these surfaces. However, the lack of a general predicting model is also due to the fact that no one of the several existing experimental techniques has shown up as a very reliable one. Indeed, the reported measurements of slippage still depends on the specific adopted method, thwarting attempts to corroborate the proposed theoretical and numerical schemes. Therefore, it is evident that a more sensitive and effective experimental technique is still missing. This thesis began and developed inside the wider project of setting up an innovative technique to investigate the fluid-solid slippage on superhydrophobic surfaces by means of optical tweezers. Even though this project is still going on, this work reports the steps performed along the long way towards this main goal and it consists of a collection of several researches involving different scientific fields as optics, microscopy, surface science, microhydrodynamics, microfluidics and microfabrication. The researches presented in this work can be separated in two main categories: i) holographic micromanipulation and microscopy, ii) superhydrophobicity.

La présence de l’hélium induite par le fonctionnement des futurs réacteurs à neutrons rapides et à fusion dans les matériaux de cœur peut entrainer une dégradation de leurs propriétés mécaniques (durcissement, gonflement, fragilisation). Pour poursuivre le développement des alliages de structure, il est nécessaire d’acquérir une meilleure compréhension de l’interaction entre l’He et les structures métalliques donc le point en commun est de comporter comme métal de base un élément de cristallographie cubique centrée (CC), notamment le fer et le vanadium.L’implantation ionique d’ions 4He a été utilisée pour simuler les effets d’endommagement liés à l’insertion d’He, la création des défauts ponctuels (lacunes, interstitiels) et la formation des amas hélium-lacunes dans les futurs réacteurs. L’évolution du comportement de l’He dans le fer et le vanadium purs a été mise en évidence tant du point de vue de la nature des sites de piégeage que du point de vue des mécanismes de migration de l’He et de germination et croissance de bulles associés, en s'appuyant sur un couplage original de techniques. Les résultats obtenus mettent en avant une différence de comportement entre les deux métaux CC, bien que certains mécanismes impliqués soient similaires. Les défauts microstructuraux, notamment les joints de grains, et la concentration d’He implantée (fluence) joueront des rôles clés sur le comportement de l’He à haute température.Les données expérimentales acquises couplées avec des méthodes de simulation serviront de point de départ pour développer une approche cinétique et thermodynamique du comportement de l’He dans les éléments constitutifs des alliages d’intérêt nucléaire. / The presence of helium produced during the operation of future fast reactors and fusion reactors in core structural materials induces a deterioration of their mechanical properties (hardening, swelling, embrittlement).In order to pursue the development of the metallic structural alloys, it is necessary to comprehend the He interaction with the metal lattice thus the point in common is the study of the metallic components with body-centered cubic structure (bcc) of future alloys, such as iron and/or vanadium.Ion implantation of ions 4He was employed with the aim of simulating the damaging effects associated with the helium accumulation, the point defects’ creation (vacancies, self-interstitials) and the He cluster formation in future reactors. Helium evolution in pure iron and pure vanadium has been revealed from the point of view of the trapping sites’ nature and well as the helium migration mechanisms and the nucleation/growth of bubbles. These phenomena were studied by coupling different complementary techniques. Despite of the fact that some mechanisms involved seem to be similar for both bcc metals, the comparison between the helium behavior in iron and vanadium shows certain differences. Microstructural defects, including grain boundaries and implanted helium concentration (dose) in both bcc metals will play significant roles on the helium behavior at high temperature.The acquired experimental data coupled with simulation methods contribute to the future development in terms of kinetic and thermodynamic data management of helium behavior in the metal components of the alloys of nuclear interest.

Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques(CP) et des réseaux de diffraction. L’objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d’augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2Ddans la couche active de silicium, l’absorption intégrée sur l’ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l’influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l’IMEC, en Belgique. Les mesures d’absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l’absorption intégrée est peu sensible à l’angle d’incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d’environ 15mA/cm², soit20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L’absorption aux grandes longueurs d’onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu’à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction. / Gratings are considered. The goal is to integrate such structures into ultra-thin film silicon photovoltaic solar cells, with a view to improve their conversion efficiency. First, a PCs assisted ultra-thin film crystalline silicon (c-Si) solar cell is designed optimized by using the Finite Different Time Domain (FDTD) approach. An increase over50% is achieved for the absorption, as integrated over the whole spectral range, by patterning a 2D PCs in the active Si layer. This enhancement is achieved by combining Slow Bloch modes and Fabry-Perot modes. In order to fabricate such solar cells, we developed a process based on Laser Holographic Lithography, Reactive Ion Etching and Inductivity Coupled Plasma etching. We have investigated the influence of the parameters taking part in these processes on the obtained patterns. Finally the optical and electrical properties of the devices have been characterized by our co-workers at IMEC, Belgium. Absorption measurements are in good agreement with the theoretical simulations. Moreover, the integrated absorption is tolerant with regard to the sunlight angle of incidence. The final fabricated 2D PCs patterned solar cell exhibits a 20% higher short circuit current (Jsc = 15mA/cm2) than the reference. Additionally, a more complex thin film c-Si solar cells integrating front and back diffraction gratings has been designed. Long wavelength absorption is increased thanks to the long period (750 nm) back grating, while the incident light reflection is reduced by using a short period (250 nm) front grating. A short-circuit current increase up to 30 mA/cm² is predicted for this device, far above the 18 mA/cm² value for the unpatterned reference These are first steps towards the development of a future generation of PC and diffraction grating assisted solar cells.