Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches synthétise mes activités de recherche de 2001 à ce jour. En annexe de chaque chapitre sont données des publications permettant au lecteur d'avoir une connaissance plus détaillée des sujets traités. Le document commence par l'étude de la propagation d'ondes guidées (ondes de Lamb) avec une rugosité de surface. L'influence de cette rugosité sur les courbes de dispersion des ondes est étudiée en détail. On observe notamment une atténuation liée à la hauteur mais également à la périodicité de la perturbation de surface. Cette étude nous conduit naturellement aux structures périodiques. Différentes approches sont exposées dans ce mémoire : expérimentale, numérique (Méthode des Eléments Finis) et théorique. Un certain nombre de résultats sur un cas simple de champs scalaires sont donnés (guide d'onde fluide, ondes SH). La propagation d'ondes de Lamb dans une plaque élastique striée est ensuite étudiée. Les couplages de modes liés à la présence d'une perturbation périodique sont plus particulièrement analysés en lien avec la structure de bande (cristal phononique 1D). La dernière partie est consacrée au phénomène particulier de réfraction négative dans les cristaux phononiques.

L'étude du contact électrique quasi statique à plusieurs échelles permet de comprendre celui des micro-relais MEMS. Au cours de ce travail, une modélisation fine du contact est développée pour valider des lois de comportement établies à partir des mesures obtenues grâce à la mise au point de deux dispositifs expérimentaux originaux : la balance de précision, qui permet de réaliser un contact à l'échelle macroscopique entre barreaux croisés recouverts des films minces des matériaux à tester, et un nanoindenteur instrumenté pour la mesure électrique reproduisant un micro-contact identique à celui des micro-relais. Ils permettent tous deux de mener une étude comparative de différents échantillons en fonction de la force (de la dizaine de µN à quelques N), du courant (du µA à l'A), de l'état de surface (rugosité) ou encore du temps ; le contact étant caractérisé par sa résistance électrique. Ce travail concerne principalement le contact réalisé entre films minces en Au, matériau de contact de référence pour les applications micro-relais MEMS. L'étude des contacts de grande dimension a néanmoins été élargie à Ru, Rh, Pt et à l'alliage Au-Ni.Les résultats obtenus à l'aide de la balance de précision ont démontré la nécessité de prendre en compte l'influence de la configuration en film mince des matériaux de contact, tant du point de vue mécanique (rugosité) qu'électrique (répartition des lignes de courant). Leur comparaison à une modélisation statistique du contact rugueux donne des résultats satisfaisants. Cette approche a par ailleurs nécessité le développement d'un algorithme d'analyse d'image des relevés topographiques réalisés au microscope à force atomique, permettant ainsi de quantifier précisément les positions, taille et rayon de courbure de chaque aspérité de la surface.Les mesures effectuées à l'aide du nanoindenteur ont mis en évidence l'effet de la durée de fermeture des microcontacts sur la valeur de la résistance électrique. Le fluage des aspérités serait en partie responsable de la décroissance temporelle observée, aboutissant à des valeurs de résistance limite comparables à celles calculées à l'aide d'une modélisation numérique du contact entre des aspérités discrétisées et une sphère lisse.

L'encrassement biologique des revêtements de façade constitue un problème esthétique et économique. Parmi les microorganismes impliqués, les algues sont les plus répandues. Ce travail avait pour but d'étudier expérimentalement l'influence des paramètres intrinsèques (porosité, rugosité et carbonatation) de mortiers à base de ciment sur leur bioréceptivité et de modéliser le développement du biofilm d'algues.Pour étudier l'effet de ces paramètres sur la biodétérioration des mortiers, un essai accéléré de laboratoire a été développé. Les travaux ont été réalisés avec l'algue verte Klebsormidium flaccidum fréquemment identifiée dans les prélèvements réalisés sur des façades colonisées. Les résultats montrent qu'une augmentation de rugosité et une diminution du pH de surface par carbonatation favorisent l'encrassement des mortiers par les algues.Un modèle inspiré de la loi d'Avrami a permis de modéliser le phénomène de colonisation par les algues. Deux processus interviennent dans le mécanisme de colonisation : l'accrochage (ou " germination ") et la croissance des algues. Les paramètres cinétiques représentant ces processus ont été déterminés et révèlent l'importance de la rugosité et de la carbonatation sur la constante de vitesse de " germination ".L'exposition d'échantillons en extérieur a été également réalisée. Les résultats obtenus permettent de retrouver partiellement le comportement des matériaux en laboratoire même si le démarrage de la colonisation semble être affecté par les conditions climatiques.

Les aspérités géométriques d'un plan de faille contrôlent en partie toutes les étapes de la rupture sismique, depuis sa nucléation jusqu'à l'arrêt du séisme. L'objectif de ce travail est de caractériser la morphologie des surfaces de faille sur la large gamme d'échelles spatiales impliquées dans les tremblements de terre, puis d'explorer son influence sur l'organisation spatiale du glissement et des contraintes. L'approche utilisée inclue des observations de terrain couplées à une étude numérique et théorique. La combinaison de méthodes récentes de mesures topographiques (LiDAR, rugosimètre laser, interféromètre à lumière blanche), qui couvrent des gammes d'échelles spatiales complémentaires, permet de proposer un modèle géométrique cohérent de cinq zones de failles étudiées (Alpes françaises, Apennins, Turquie, Californie, Nevada). La rugosité des surfaces de failles montre des propriétés de dépendance d'échelle, et plus précisément suit un régime auto-affine anisotrope (l'exposant de rugosité est Hpara = 0.6 dans la direction du glissement et Hperp = 0.8 dans la direction perpendiculaire) depuis la centaine de micromètres jusqu'à plusieurs dizaines de mètres. En complément, l'analyse de la rugosité des ruptures de surface de huit tremblements de terre continentaux majeurs montre qu'un unique régime auto-affine anisotropique et sans longueur caractéristique est maintenu jusqu'à l'épaisseur de la croute sismogénique. Cette description de la géométrie des surfaces de failles et des traces de ruptures, est indépendante du contexte géologique. Plus particulièrement, cette étude met en avant que dès lors qu'un glissement cumulé métrique est atteint sur une faille, la complexité géométrique des portions actives des zones de failles est maintenue quel que soit le déplacement supplémentaire accommodé. Finalement, motivé par des observations de terrain, il est proposé que le processus dominant à l'origine de la rugosité des surfaces de failles puisse être l'interaction mécanique et la coalescence de segments multi-échelles. Deux conséquences émergent de cet état de rugosité. Les distributions spatiales du champ de glissement d'une part et du champ des contraintes lors d'un tremblement de terre d'autre part peuvent être expliquées par la présence de deux interfaces rugueuses auto-affines pressées élastiquement et cisaillées. Notamment, en utilisant un modèle numérique de propagation d'une rupture sur une interface hétérogène, la corrélation entre la rugosité 3-D des failles et la distribution spatiale 2-D du glissement dans le plan est clarifiée. Il est proposé que les hétérogénéités spatiales du glissement visibles sur les modèles cinématiques de rupture sismique soient préférentiellement dominées par les complexités géométriques locales plutôt que par la dynamique du front de rupture lui-même. Par ailleurs, les propriétés auto-affines des lèvres de la faille impliquent que les fluctuations spatiales de la chute de contrainte lors d'un séisme augmentent vers les courtes longueurs d'ondes ; ce qui est confirmé par des observations sismologiques. En considérant un modèle de rupture en cascade, il est alors probable que les failles sont fortement inhomogènes, avec des grands tremblements de terre composés d'une somme de petites aspérités multi-échelles qui subissent de fortes chutes de contrainte. Cette étude met en lumière l'importance des hétérogénéités locales en contrainte et en glissement dans la mécanique des tremblements de terre, et propose de les relier à des propriétés morphologiques self-affines de la surface de faille.

Lorsqu'un liquide mouillant touche un solide, on observe un ménisque de taille millimétrique. Si le solide est rugueux à une échelle submillimétrique, le liquide peut progresser le long des aspérités sur une distance qui est potentiellement illimitée si le solide est horizontal. Nous modélisons la rugosité avec des piliers cylindriques et montrons que quelques cylindres seulement suffisent à transporter et guider précisément un liquide. Nous étudions la dynamique macroscopique et microscopique de l'invasion. Nous examinons ensuite combien de liquide s'accumule dans une variété de textures et proposons un nouveau type de détergence pour extraire le liquide de la rugosité. Nous prenons aussi la gravité en compte et l'utilisons d'abord pour démontrer que plusieurs fronts liquides peuvent être observés simultanément dans des porosités multi-échelles. Nous nous intéressons enfin aux ponts capillaires millimétriques et nous dédions notre dernier chapitre à leur dynamique de croissance radiale. / When a wetting liquid contacts a solid, we observe a liquid meniscus of millimetric size. If the solid is rough at a submillimetric scale, the liquid may progress along the asperities for a potentially unlimited distance if the solid is horizontal. We model the roughness with a regular texture and show that a low number of surface features is sufficient to transport and precisely guide a liquid. We study the macroscopic and microscopic dynamics of the invasion. We examine then how much liquid accumulates in a variety of texture and propose a new kind of detergency to remove the liquid from the roughness. We also consider the influence of gravity and use it to demonstrate that multiple liquid fronts can be observed simultaneously in porosities of different scales. Then we turn our attention to millimetric capillary bridges and dedicate our last chapter to explain their dynamics of radial growth with the Cox-Voinov model.

Afin d’améliorer la compréhension des effets des coagulants sur les performances des membranes organiques d'ultrafiltration employées dans la production d’eau potable, une caractérisation structurale complète (surface et volume) de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique des membranes (neuves, après filtration de coagulant et après lavage chimique) est utilisée. En premier lieu, les propriétés structurales des membranes planes neuves PES ont été déterminées en fonction du seuil de coupure. Les caractéristiques de surface (taille de pore et taux de remplissage) déterminées par le MEB et les caractéristiques en volume déterminées par l’ellipsométrie de speckle ont montré une évolution croissante avec le seuil de coupure. L’utilisation du LB et de l’AFM avec différentes fenêtres d’observation a montré que la détermination de la rugosité d'une membrane est bien fonction de l'échelle d’observation. L’AFM a permis de différencier les membranes selon leur seuil de coupure mais aussi selon les méthodes de fabrication. En second lieu, l’impact de la nature des coagulants en polychlorosulfate d'aluminium (PAX-XL 7A et Aqualenc F1) sur les propriétés structurales des membranes en PES 100 kDa a été abordé. L'utilisation du modèle d’Hermia et les analyses multi-échelle de la rugosité de surface ont montré que la filtration de suspensions de cogulants de PAX-XL 7A ou Aqualenc F1 produit un dépôt à la surface dû à l’adsorption et/ou la précipitation des produits d’hydrolyse de coagulants, provoquant une modification importante de la morphologie de surface de la membrane. Cette modification structurale est aussi révélée par des mesures du speckle de l’onde diffusée. Des analyses MEB et AFM ont révélé un changement de l’état de surface de la membrane lavées après colmatage. L’extension des techniques de caractérisation structurale, en particulier l'AFM, à l'étude des fibres creuses en AC et PVDF et leur vieillissement a montré une voie d’exploitation très intéressante. / For the better understanding of the effects of the use of coagulants on the performance of ultrafiltration organic membranes applied in the production of drinking water, a complete structural characterization (surface and bulk) from microscopic scale to macroscopic scale of the membranes (new, after filtration of coagulant and after chemical cleaning) is used. First, the structural properties of new flat-sheet PES membranes were determined as a function of MWCO. The characteristics of surface (pore size and recovery rate) determined by SEM and the features of bulk determined by speckle ellipsometry showed an increasing trend with MWCO. The use of WLI and AFM with different observation scales showed that the determination of the roughness of a membrane significantly depends on the observation scale. The AFM was able to differentiate membranes according to their MWCO as well as to the methods of manufacturing. Second, the impact of the nature of aluminum polychlorosulfate coagulants (PAX-XL 7A and Aqualenc F1) on the structural properties of PES 100 kDa membrane is addressed. The use of Hermia model and the analysis of multi-scale surface roughness showed that the filtration of suspensions of coagulants PAX-XL 7A or Aqualenc F1 produces a deposit on the surface through adsorption and/or precipitation of hydrolysis products of coagulant, causing a significant change in the surface morphology of the membrane. This structural modification is also revealed by the measurements of speckle of the light scattering. SEM and AFM analysis revealed a change in the state of surface of the membrane after cleaning of fouled membranes. An extension of the structural characterization techniques, in particular the AFM to the study of hollow fibers and their aging has shown a very interesting way of analysis.

Dans cette thèse, nous étudions deux systèmes désordonnés du point de vue du de la transition de dépiégeage (depinning). Dans les deux cas, la dynamique est régie par la compétition entre un paysage aléatoire qui tend à induire des fluctuations et des interactions élastiques qui tendent à les limiter. Dans la première partie, nous développons un modèle mésoscopique simplifié qui vise à rendre compte des propriétés génériques de la plasticité des matériaux amorphes. La déformation plastique des matériaux amorphes présente une phénoménologie qui rappelle les propriétés critiques observées au voisinage d'une transition de dépiégeage: émergence d'un seuil critique (ici la contrainte plastique), dynamique d'avalanches, etc. L'interaction élastique à l'oeuvre dans ce modèle de plasticité dérive directement de la solution élastique d'Eshelby associée à la présence d'une inclusion plastique dans une matrice élastique. Nous montrons que cette interaction anisotrope et à longue portée est caractérisée par la présence de modes mous. ces derniers ont un impact dramatique sur la localisation et les fluctuations de déformation plastique qui augmentent de manière diffusive. Cette phénoménologie n'est pas présente dans le dépiégeage tel qu'il est souvent traité, par exemple avec une approche champ moyen. Nous montrons que les bandes de cisaillement sont des modes mous de l'intéraction d'Eshelby et affectent aussi bien la localisation que les propriétés universelles. Par ailleurs, en testant deux cas extrèmes, nous avons trouvé que les détails du paysage désordonné n'ont pas d'impact particulier sur les propriétés universelles. En application de ce travail, nous montrons que le renforcement des matériaux amorphes par des inclusions dures est relié à la percolation des bandes de cisaillement entre les inclusions. Dans la deuxième partie, nous étudions la morphologie d'une ligne de démouillage en recul sur des surfaces inhomogènes. Contrairement aux modèles de dépiégeage standard, nous développons ici une méthode permettant de décrire le régime de grandes déformations de la ligne de contact et le déchirement de la couche. Nous montrons l'existence d'une concentration seuil des inhomogeneités. Au delà de cette concentration, la ligne s'arrête à une distance finie et autour de la concentration critique, présente des propriétés de type critique. / In the present thesis, two disordered systems are investigated from the depinning perspective. In both of them, the dynamics is governed by the competition between elastic interactions and a disordered landscape. In the first part, we use a simplified mesoscopic model to investigate the generic properties of amorphous plasticity. The yielding of amorphous materials shows universal properties similar to the depinning transition. As such, it is often described by mean field approaches. Here we show that the soft modes present in the interaction kernel (based on the Eshelby solution for a plastic inclusion in an elastic matrix) have a dramatic impact on localization and result in diffusively increasing plastic strain fluctuations. This additional phenomenology is absent in standard depinning and, despite its important consequences, is disregarded in mean field descriptions. We show that shear bands are soft modes of the Eshelby interaction kernel and, besides localization, they affect the universal properties as well. At the same time, we found by testing two extreme cases that the form of the disordered landscape has no considerable impact on the universal properties. As an application, we show that the reinforcement of amorphous materials by hard inclusions is related to the percolation of shear bands in between the inclusions. In the second part of the thesis, we study the morphology of a receding dewetting line on inhomogeneous surfaces. Unlike in standard depinning models, here we developed a method suitable to describe the large deformation regime of the contact line and tearing up of the layer. We show the existence of a threshold concentration of inhomogeneities. Above this concentration the line stops within at finite distance, and around the critical concentration it features critical-like properties.

Nous avons étudié la dynamique de fracture d'hydrogels thermoréversibles de biopolymères : les gels de gélatine. Nous avons montré, par des expériences de fracture en mode 1, quasi-stationnaire et dans un régime subsonique, que, contrairement à la fracture des gels chimiques et des élastomères, la propagation de la fracture dans les gels de gélatine n'implique pas la scission des chaînes : elles sont extraites entièrement à travers le réseau en tête de fracture, la dissipation provenant simplement de leurs frottements dans le solvant. Nous avons pu produire un modèle simple de type <> qui permet de rendre compte des ordres de grandeur mesurés ainsi que de prédire des lois d'échelle vérifiées expérimentalement.<br /><br />En parallèle, nous avons étudié le faciès des surfaces créées par la propagation de la fracture. Nous avons montré qu'il n'existe pas de lois d'échelle comme celles observées dans d'autres matériaux ductiles ou fragiles mais que la micro-rugosité présente une hauteur RMS croissante avec la vitesse de fracture, observation jamais rapportée auparavant. Nous avons mis en évidence une vitesse critique en-dessous de laquelle des défauts macroscopiques apparaissent, défauts précédemment observés par Gent et al. dans les élastomères et décrit exhaustivement par Sekimoto et al. dans les gels de polyacrylamide. Nous avons pu expliquer la hauteur caractéristique de ces défauts en prenant en compte que ces matériaux très déformables présentent le phénomène d'émoussage de la fracture (<>). Nous observons par ailleurs que ces défauts et la micro-rugosité présentent une anisotropie selon un angle <> indépendant de la vitesse de fracture et des caractéristiques du gel de gélatine.

Dans le Système International d'unités (SI) le kilogramme est l'unité de masse, qui est définie comme étant égale à la masse du prototype international du kilogramme en platine iridié. Le contrôle des étalons de masse est essentiel vis _a vis, entre autre, des industries qui doivent garantir une production calibrée. Ce travail est consacré à l'étude en champ proche et champ lointain des surfaces des étalons de masse métalliques, en lien avec différents instituts, laboratoires nationaux et internationaux de la métrologie. Nous avons mené deux types de mesures : mesures de type shear-force pour déterminer la topographie locale de la surface et mesures en champ proche optique pour approfondir l'analyse de la surface par mesure optique localisée à haute résolution. Une analyse de l'évolution de la topographie des surfaces des étalons de masse et de la structure du champ proche optique diffracté par les défauts des ces surfaces a été menée au cours de ce travail de thèse.

Nous avons étudié la rugosité et la dynamique de la ligne de contact d'un liquide visqueux sur un substrat désordonné. Sur des substrats présentant un désordre contrôlé avec une échelle caractéristique de 10 µm, nous avons trouvé que la rugosité de la ligne de contact ne dépend ni de la vitesse de la ligne, ni de la viscosité du liquide. L'exposant de rugosité zeta mesuré vaut 0,52±0,04, en désaccord avec les prédictions théoriques (zeta = 0,39). Nous avons donc testé les hypothèses du modèle. Une étude précise du mouvement de la ligne confirme l'hypothèse d'un mouvement quasi statique. En revanche, la dissipation n'est pas de type visqueux. Une simulation réaliste du problème montre que la non-linéarité en vitesse de la dissipation n'expliquent pas la valeur mesurée de zeta. Expérience et simulation montrent que la dynamique au voisinage du seuil de dépiégeage est contrôlée essentiellement par la dissipation à l'échelle microscopique, qui n'est pas universelle.