En Europe, le secteur du bâtiment représente près de la moitié de la consommation énergétique totale (dont 60 % pour le chauffage et la climatisation) et des rejets de CO2. Ainsi, une maîtrise de la consommation énergétique dans différents secteurs (bâtiment, transports et industrie) est nécessaire. L’utilisation de matériaux « super-isolants » thermiques tels que les panneaux isolants sous vide (PIV) dans la rénovation et dans de nouvelles constructions à très faible consommation énergétique sont prometteurs. Un PIV est composé d’un matériau de cœur thermoscellé dans une enveloppe hermétique mise sous vide. Le cœur est constitué d’un empilement de nano poudres de silices à très forte porosité (> 90%) et à très fine structure poreuse (< 200 nm). Deux types de silices sont utilisés : les silices pyrogénées (FS) avec lesquelles on obtient des PIV manipulables pour une densité de cœur de 160 kg/m3 après compaction contre 250 kg/m3 pour les silices précipitées (PS). Les PIV à base de silices FS sont plus efficaces thermiquement et mécaniquement que ceux à base de silice PS, mais restent plus coûteux. Cette étude propose de comprendre les différences de propriétés mécaniques entre les compacts de silice FS et PS. Ainsi, les comportements en compression œdométrique et en indentation sphérique d’une silice pyrogénée Konasil 200 et de deux silices précipitées Tixosil 43 et 365 ont été analysés. Ceux-ci sont complétés par des observations structurales en microscopie électronique à transmission (MET) et en diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS). Le couplage de ces résultats à l’étude du vieillissement et de la structure multiéchelles des poudres permet d'identifier les causes des écarts des propriétés observées entre silices FS et PS. Ainsi, l’impact de la chimie de surface et de l’organisation multiéchelles entre les objets observés est mis en évidence pour expliquer les différences de propriétés mécaniques entre silices FS et PS. / Buildings account for almost the half of the total energy consumption (60% for heating and cooling) and CO2 emissions in Europe. Thus, the control of energy consumption in building appears as critical. In that perspective, "super-thermal insulating" materials such as vacuum insulation panels (VIP) are promising, both for buildings renovation, and for new energy-efficient constructions. A VIP is composed by a sealed core material in which vacuum is established. The core is made of an open nanoporous stack of silica powders with very high porosity (> 90%) and very fine porous structure (< 200 nm). Two types of silica are typically used: first fumed silica (FS) which enable to process panels with a sufficient compression strength for handling for a density as low as 160 kg/m3, second precipitated silica (PS) which enable to process denser panels with a minimal density of about 250 kg/m3. VIPs made of FS powders are more efficient in terms of thermal and mechanical properties as compared of VIP made of PS powders. However, their price is higher. This study aims at understanding the differences in mechanical properties noted between compacted FS and PS powders. Oedometric compression tests and spherical indentation test were carried out on compacts of Konasil 200 FS silica and on compacts of Tixosil 43 and 365 PS silica. In addition, structural observations of the powders were made using transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS). These results permit to identify the parameters leading differences between FS and PS powders. Thus, surface chemistry, multiscale organization and interactions forces are highlighted to explain the differences in mechanical properties between compacts of FS and PS silica.

Les matériaux susceptibles de couvrir les besoins technologiques dans le domaine de l'émission Laser infrarouge pour des applications entre 3 µm et 12 µm, et qui engloberait les trois fenêtres de transparence de l'atmosphère sont peu nombreux. Les iodates métalliques s'avèrent être des composés potentiels. En effet il a été montré que les composés étudiés présentent les caractéristiques communes suivantes : bonne stabilité thermique, non hygroscopicité, fenêtre de transparence sur poudre qui s'étend du visible au début de l'infrarouge lointain (12 µm), seuil de dommage optique sur poudre de l'ordre de quelques GW.cm-2. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la synthèse et la détermination structurale de nouveaux composés iodates non-centrosymétriques en vue de les doper avec des ions terres rares ou métaux de transition luminescents afin d'obtenir des matériaux bifonctionnels qui peuvent être à la fois luminescents pour générer la source de lumière Laser et non linéaire pour convertir la fréquence de l'émission initiale. La matrice non-centrosymétrique AgGd(IO3)4 a pu être dopée avec des ions Nd3+ et Yb3+, présentant des durées de vie de luminescence du même ordre de grandeur que celui de certains lasers commerciaux. L'étude sur les iodates de lanthane a permis la caractérisation de La(IO3)3(HIO3) et La(IO3)3(HIO3)1,33 obtenus par cristallisation lente dans une solution aqueuse d'acide nitrique, alors que le composé anhydre α-La(IO3)3 est obtenu par synthèse hydrothermale. Ce dernier est un candidat potentiel en tant que matrice laser par l'insertion d'ions lanthanides.

Une revue des méthodes d'analyse des profils de raies de diffraction des rayons X est effectuée. La transformation d'un hydroxynitrate de nickel en hydroxyde est suivie.

L'étude du système Ce-Ni-Ge a permis d'établir une corrélation étroite entre les propriétés physiques de ces germaniures (gouvernées par l'état fondamental du cérium résultant d'une compétition entre deux types d'interactions : effet Kondo et interaction magnétique de type RKKY) et leur composition chimique. Ainsi, au sein du diagramme de phase ternaire Ce-Ni-Ge, nous avons établi que: (i) les germaniures riches en Ni sont soit des composés de valence intermédiaire (CeNiGe, Ce3Ni4Ge4 et CeNi4.25Ge0.75), soit des systèmes "fermions lourds" (CeNi2Ge2 et CeNi9Ge4). Notons que pour la séquence CeNi2Ge2 → Ce3Ni4Ge4 → CeNiGe, le caractère de valence intermédiaire est de plus en plus marqué; (ii) les germaniures les plus riches en Ge (>50 % atomique) sont antiferromagnétiques à basse température; dans ces composés (Ce2NiGe6, Ce3Ni2Ge7, CeNiGe3, Ce2Ni3Ge5 et CeNiGe2) l'ion cérium est trivalent; les structures magnétiques de ces composés ont été déterminées par diffraction neutronique, la valeur du moment magnétique de Ce3+ (ainsi que la température de Néel) diminue des composés les plus riches en Ge aux composés les moins riches en Ge (propriété associée à la force de l'effet Kondo).

La synthèse de matériaux zéolithiques est régie par de nombreux paramètres, en particulier la nature de l'hétéroélément associé au silicium et celle de l'agent organique structurant. Ainsi, l'introduction de germanium dans les milieux réactionnels ainsi que l'utilisation de structurants dérivés d'imidazole, les cations 1-éthyl-3-méthylimidazolium et 1-butyl-3-méthylimidazolium, ont permis la découverte de deux nouveaux solides microporeux nommés respectivement IM-16 et IM-20 et présentant des topologies de charpente inédites (respectivement UOS et UWY). De plus, un troisième germanosilicate poreux nommé IM-17 a été obtenu en présence du cation décaméthonium. Chacun de ces trois matériaux possède un système tridimensionnel de canaux avec des ouvertures de 8 et 10 atomes T (IM-16) ou de 10 et 12 atomes T (IM-17 et IM-20), ainsi que des unités de construction composites d4r au sein de leur charpente. Enfin, une partie importante du travail a été consacrée à l'élaboration de molécules structurantes originales (dérivés du décahydro-dicyclopenta[b,d]pyrrole) puis de leur emploi en synthèse hydrothermale. Ces essais ont permis d'obtenir divers matériaux déjà connus, parmi lesquels les zéolithes IM-12 (UTL), ITQ-7 (ISV), ITQ-17 (BEC) et ITQ-21.

Les structures magnétiques de deux familles de composés sont déterminées et discutées : (i) celles des hydrures RTXH (R = terre rare, T = métal de transition et X = Si, Ge) cristallisant dans la structure de type ZrCuSiAs et obtenus par insertion d'hydrogène dans les intermétalliques quadratiques de type CeFeSi. L'hydrogénation induit des transitions magnétiques variées engendrées par la compétition entre la dilatation anisotrope de la maille cristalline causée par l'absorption d'hydrogène et l'apparition de la liaison chimique R-H ; (ii) celles des siliciures ternaires R6T1.67Si3 (R = Ce, Nd, Gd, Tb et T = Co, Ni) présentant des propriétés magnétocaloriques significatives autour de leur température de Curie, en particulier ceux à base de gadolinium Gd6T1.67Si3. Les composés à base de Ce, Nd et Tb présentent des comportements magnétiques originaux qui sont expliqués par la détermination de leurs structures magnétiques. La nature complexe de ces propriétés résulte en partie de la présence de deux sites magnétiques pour R et d'un désordre atomique de l'élément T dans la structure cristallographique.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux magnétocaloriques à basse de terres rares pour la réfrigération magnétique. Le premier chapitre constitue une introduction aux notions d'effet magnétocalorique et de réfrigération magnétique et dresse un état de l'art des matériaux magnétocaloriques existants. Dans le but d'obtenir des matériaux à forte capacité de réfrigération (RC) et d'identifier des stratégies d'amélioration de ce critère de performance, deux voies de recherche ont été explorées : l'élargissement de la transition magnétique et l'effet de l'élément de transition M et de l'élément p (X) dans les verres métalliques Gd60M30X10 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu et X = Al, Ga, In) d'une part, et la synthèse de nouveaux siliciures ternaires dans les systèmes R-M-Si (R = Nd, Gd, Tb et M = Co, Ni) à fort potentiel magnétocalorique, d'autre part. Le second chapitre de cette thèse présente les propriétés magnétiques des rubans amorphes à base de gadolinium synthétisés par la technique de melt-spinning, dans lesquels le désordre structural induit un très fort élargissement de la transition magnétique (vis-à-vis de celle du gadolinium par exemple). Il montre dans un premier temps, la faible influence de l'élément p (X) sur les propriétés magnétiques des rubans Gd60Mn30X10 (X = Al, Ga, In). Une seconde partie présente la très forte influence de l'élément de transition M, tant sur la nature de la transition magnétique que sur les propriétés magnétocaloriques des verres métalliques Gd60M30In10 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu), avec en particulier une température de Curie variant entre 86 (M = Ni) et 220 K (M = Fe) et l'existence d'un phénomène de type cluster-glass en dessous de 35 K lorsque M = Mn. Le chapitre trois de cette thèse se décline en trois parties. La première décrit les conditions de synthèse parfois délicates, notamment dans le choix des températures de recuit, des siliciures R5MSi2, Gd5Si3 et du composé à domaine d'existence Gd3Co2,5 ± xSi1,5 ± y. L'utilisation de la méthode Rietveld pour l'affinement des diffractogrammes de rayons X sur poudre et monocristaux et neutrons a permis de montrer que les composés R5MSi2 adoptent une structure de type Cr5B3 avec la particularité de l'occupation mixte du site 8h par Co et Si à 50 %/50 % et que Gd3Co2,5 ± xSi1,5 ± y adopte une structure de type Er3Ge4 avec des sites mixtes Co/Si en positions 4a et 4c. La seconde partie présente les propriétés magnétiques et magnétocaloriques du siliciure Gd5CoSi2. Ce composé subit une transition ferromagnétique à la température de Curie de 169 K qui s'accompagne d'une variation d'entropie magnétique calculée par l'application de la relation de Maxwell, de -4,7 et 8,7 J kg-1 K-1 pour des variations de champ magnétique respectives de 2 et 5 T. Le troisième volet de ce chapitre décrit les propriétés magnétiques de Nd5CoSi2 et Nd5NiSi2 qui présentent une transition ferromagnétique respectivement à 55 et 44 K. Il décrit également l'affinement de la structure ferromagnétique cantée de Nd5CoSi2 obtenue par des mesures de diffraction neutronique. Il ressort de ces travaux que l'évaluation des matériaux magnétocaloriques par le seul critère de capacité de réfrigération ne mène pas vers les matériaux les plus adaptés à l'application. Il faudrait cibler plus spécifiquement, pour chaque type de cycle de réfrigération envisagé, des critères pragmatiques tels qu'une fenêtre de température d'utilisation autour de la température de Curie ou une valeur de chaleur spécifique optimale afin de mieux guider la recherche de nouveaux matériaux magnétocaloriques.

Les structures magnétiques de deux familles de composés sont déterminées et discutées : (i) celles des hydrures RTXH (R = terre rare, T = métal de transition et X = Si, Ge) cristallisant dans la structure de type ZrCuSiAs et obtenus par insertion d'hydrogène dans les intermétalliques quadratiques de type CeFeSi. L'hydrogénation induit des transitions magnétiques variées engendrées par la compétition entre la dilatation anisotrope de la maille cristalline causée par l'absorption d'hydrogène et l'apparition de la liaison chimique R-H ; (ii) celles des siliciures ternaires R6T1.67Si3 (R = Ce, Nd, Gd, Tb et T = Co, Ni) présentant des propriétés magnétocaloriques significatives autour de leur température de Curie, en particulier ceux à base de gadolinium Gd6T1.67Si3. Les composés à base de Ce, Nd et Tb présentent des comportements magnétiques originaux qui sont expliqués par la détermination de leurs structures magnétiques. La nature complexe de ces propriétés résulte en partie de la présence de deux sites magnétiques pour R et d'un désordre atomique de l'élément T dans la structure cristallographique.

Local delivery of medication to the lung is highly desirable as the principal advantages include reduced systemic side effects and higher dose levels of the applicable medication at the site of drug action. This administration could be particularly useful for patients with specifically chronic pulmonary infections or pulmonary diseases, such as cystic fibrosis, asthma or lung cancer. In order to deliver a high dose range of medication for highly-dosed drugs such as antibiotics, “carrier-free” DPI formulations of tobramycin were developed with the aim of minimizing the use of excipients. Briefly, dry powders were prepared by spray drying various suspensions of tobramycin in isopropanol. First, as particle size is a key parameter in defining drug deposition in the lungs, the new Spraytec® laser diffraction method specifically modified for measuring the PSD of aerosolized drug was evaluated. The dispersion properties of various dry powder formulations were investigated using different laser diffraction and impaction apparatuses at different flow rates and using different inhalator devices. Different correlations between geometric and aerodynamic size data were demonstrated in this study. As a potential application, for the flow rate, the different inhalation devices and the drug formulations examined, the tobramycin fine particle fraction could be predicted from measurements obtained from the Spraytec® using linear relationships. Correlations (R² > 0.9) between the MMAD and the percentage of particles with a diameter below 5 µm could be demonstrated between the results obtained from the laser diffraction technique and the impaction method. Consequently, the Spraytec® laser diffraction technique was proved to be an important tool for initial formulation and process screening during formulation development of DPIs. In order to modify the surface properties of the raw tobramycin powder, different powder compositions were formulated with the aim of studying the influence of the concentration of tobramycin in drug suspensions used for spray-drying, the lipid film composition (cholesterol:Phospholipon ratio) and the coating level (in percentage) on the physicochemical and aerodynamic characteristics of the antibiotic. The results indicated that the application of a lipid coating around the active particles allowed an improvement in particle dispersion from the inhalator, decreasing raw powder agglomeration and thus enhancing drug deposition deep in the lungs. Moreover, these results seemed to be influenced by the amount and composition of the lipids in the formulations. The evaluation of the influence of the coating level showed that the deposition of only 5% w/w lipids (on a dry basis) was sufficient to improve particle dispersion properties during inhalation. The FPF, which is around 36% for the uncoated micronized tobramycin, was increased to up to about 68% for the most effective lipid-coated formulation. Of particular importance, these results revealed the need to add sufficient amounts of covering material in order to significantly modify the particle surface properties and reduce their tendency to agglomeration, while limiting the lipid level in the formulations in order to avoid any undesirable sticking and to allow the delivery of more of the active drug to the deep lung. Another approach used to modify the surface properties of raw tobramycin was to coat the micronized particles with nanoparticles of the drug, produced by high pressure homogenization. The evaluation of the influence of the level of nanoparticle coating of the micronized particles showed that the presence of nanoparticles in the formulations improved the particle dispersion properties during inhalation. One microparticle was completely covered with a single layer or several layers of nanoparticles, in function of the percentage of nanoparticles in the mixture. Coating the fine drug particles with particles in the nanometer range was believed to reduce Van Der Waals forces and powder agglomeration. These various layers of nanoparticles also allowed a decrease in the cohesion of the powder by improving the slip between the particles. On the other hand, suspensions containing solely nanoparticles were spray dried with various concentrations of surfactant in order to produce easily dispersible and reproducible micron-size agglomerates of nanoparticles during inhalation. The evaluation of the influence of the concentration of surfactant showed that deposition of only 2% w/w (on a dry basis) of Na glycocholate is sufficient to improve particle dispersion properties during inhalation. Consequently, the use of nanoparticles in dry powder formulations increased the FPF from 36% for the uncoated micronized tobramycin to about 61% for this latter formulation. To modify the balance between the different forces of interactions without the need for any excipient, the influence of formulation components on the aerosolization characteristics of spray-dried tobramycin through the use of various proportions of water in the solvent used to prepare initial suspensions was investigated. These results showed that it is possible to modify the surface properties of the particles by coating the particles of drug with a homogeneously distributed film of the active compound dissolved in a solvent system containing a mixture of different solvents such as isopropanol and water. During nebulization of the suspension, droplets are composed of one or more particles in solid state surrounded with solvent containing the dissolved drug. It is hypothesized that during the drying step, dissolved tobramycin forms a coating of the amorphous drug around particles in suspension. The coating of drug particles can thus be used as an alternative approach that permits the modification of the surface properties of the particles, increasing the flowability, the desagglomeration tendency and the fine particle fraction deposited in the deep lung. So, the evaluation of the influence of the water content of the suspensions and the effect of the inlet temperature during spray-drying showed that the addition of 2% water v/v is sufficient to improve particle dispersion during inhalation. Of particular interest, as tobramycin is a very hygroscopic drug, the addition of water turned out to be a critical step. It was thus important to add a small amount of water to the solvent system and to process the drying step at a high temperature to produce formulations containing solely the active drug and showing a FPF of up to 50%. Moreover, stability studies demonstrated that these optimized formulations (lipid-coated formulation, nanoparticle formulation and amorphous drug-coated formulation) were stable over a long time period at various ICH temperature and relative humidity storage conditions (25°C/60% RH, 30°C/65% RH and 40°C/75% RH). The formulations were shown to keep their crystalline state, initial PSD, redispersion characteristics and deposition results for more than twelve months. In order to confirm these encouraging results, two optimized formulations (one with a lipid coating and another with amorphous drug coating) were selected and compared to the only commercially available tobramycin formulation for inhalation, Tobi® (nebulizer solution), by performing a combined in vivo scintigraphic and pharmacokinetic evaluation of tobramycin DPIs in nine CF patients. In comparison with Tobi®, it was estimated that lung deposition, expressed as a percentage of the nominal dose, was 7.0 and 4.5 times higher for the lipid-coated and amorphous tobramycin-coated formulations, respectively. Moreover, the pharmacokinetic data, adjusted to the same drug dose as that of the Tobi® deposited in the lungs, showed that the AUC values were found to be 1.6 times higher for Tobi® than for DPI formulations. So this evaluation confirmed the superiority of dry powder formulations in terms of drug deposition and reduced systemic exposure in comparison with the conventional comparator product, Tobi®. Thus, these new and orginal tobramycin DPI formulations based on the use of very low excipient levels and presenting very high lung deposition properties, were shown to offer very good prospects for improving the delivery of drugs to the pulmonary tract and to the widest possible patient population.

Deux voies ont été explorées pour rechercher des matériaux pouvant être utilisées comme aimants permanents: a) soit l'amélioration des performances magnétiques de composes connus. Ainsi d'une part l'insertion d'environ 120 K et d'autre part l'enrichissement en fer a l'aide d'une méthode d'hypertrempe de la solution solide GdFe12-xAlx conduit à des composés ferromagnétiques (TC=500 K pour x=2), b) soit l'obtention de nouveaux composés à base d'uranium qui permet d'induire une anisotropie magnétocristalline. L'étude des propriétés structurales des siliciures et germaniures UM10Si2 (M=Fe, Co) et U2M17-yXy (M=Fe, Co et X=Si, Ge) montre une occupation préférentielle du silicium ou du germanium de certains sites cristallographiques des structures types ThMn12 et Th2Ni17. Les propriétés magnétiques de ces composés sont analysees en fonction des distances M-M.