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Depuis la découverte de la protéine fluorescente verte (GFP) en 1962, de nombreux développements ont permis d'améliorer l'utilisation de cette protéine naturellement luminescente en tant que puissant outil permettant de suivre des protéines ou des organelles d'intérêt dans les cellules ou organismes vivants. Au début du 21ème siècle, la découverte des protéines fluorescentes photoactivables (PAFPs), notamment chez les anthozoaires, a initié une révolution dans le domaine de la technologie des FP. Certaines PAFPs sont capables d'être irréversiblement photoconverties d'une forme fluorescente verte à une forme fluorescente rouge alors que d'autres peuvent être réversiblement commutées entre des formes allumées ou éteintes, selon des longueurs d'onde d'excitation spécifiques.Ces protéines sont intensivement employées pour les techniques de microscopie optique, particulièrement en “nanoscopie”, qui permet d'atteindre une résolution optique 10 fois meilleure que la limite théorique d'Abbe. Afin de développer plus en avant ces techniques, notamment en terme de résolution temporelle, la nécessité d'obtenir des sondes fluorescentes plus lumineuses pouvant se photoconvertir ou se photocommuter efficacement est cruciale. Dans un même temps, les marqueurs fluorescents doivent généralement être monomériques et photostables. Afin de mieux comprendre les mécanismes des phototransformations des PAFPs, trois membres de la famille ont été étudiés : EosFP, Dendra2 et IrisFP. Le phénomène de photoconversion du vert au rouge, de photocommutation réversible et de photoblanchiment irréversible ont été étudiés grâce à une combinaison de cristallographie des rayons X et de microspectrophotométrie, en utilisant le laboratoire Cryobench de l'ESRF/IBS. Pris ensemble, les résultats nous ont permis de proposer un mécanisme de photoconversion pour EosFP et Dendra2 et de découvrir et caractériser IrisFP, première PAFP combinant à la fois les propriétés de photoconversion et de photocommutation. Les modifications structurales du chromophore associées à la formation d'un état radicalaire induit par les rayons X, probablement impliqué dans la voie de photoblanchiment des PAFPs, ont aussi été caracterisées.

Un nouveau concept d'onduleur courte période et fort champ a été proposé par Toru Hara à SPring-8 en 2004 : l'onduleur cryogénique à aimants permanents (CPMU). Il s'agit de refroidir des aimants Néodyme-Fer-Bore autour de 150 K. Cela permet d'utiliser ces aimants qui ont une rémanence jusqu'à 40% supérieure à celle des aimants utilisés conventionnellement dans les onduleurs. Pour évaluer les difficultés technologiques et la faisabilité de tels onduleurs, un CPMU de 2 m de long et de 18 mm de période a été lancé à l'ESRF. Ce travail présente le design et la réalisation du CPMU à l'ESRF. Un modèle magnétostatique du CPMU est présenté, il est basé sur des mesures de courbe d'aimantation à température cryogénique réalisées au laboratoire Louis Néel. Le modèle prévoit une augmentation du champ crête de l'onduleur de 8% autour de 150 K et de l'intégrale de champ de 20 Gcm. Un banc de mesure magnétique spécifique a également été développé à l'ESRF. Ce banc permet la mesure du champ local et des intégrales de champ sous vide. Son design et sa construction sont revus. Finalement les mesures magnétiques réalisées à température ambiante et à température cryogénique sont présentées. Ces mesures valident le modèle magnétostatique et les performances attendues.

La diffusion inélastique de rayons X (IXS) est un outil pour la détermination de la dispersion des phonons dans les systèmes mono-cristallines. Cependant, les nouveaux matériaux ou les cristaux dans des conditions extrême ne sont souvent disponible que sous forme polycristalline. Il n'est ainsi possible d'en extraire que des propriétés moyennées. Pour surmonter ces limitations, nous avons développé une méthode qui permet d'extraire la dispersion du système mono-cristallin à partir de données obtenues sur un échantillon polycristallin. Dans cette nouvelle approche, nous enregistrons des spectres IXS pour une large gamme de moments transférés que nous confrontons à un calcul modèle (Born – von Kármán). Un ajustement de ce calcul par la méthode des moindre carrés nous permet alors de remonter à la dispersion du mono-cristal. Des expériences sur des systèmes de plus en plus complexes ont été realisées afin de développer la méthode et d'éprouver les limites de la méthode.

Le dispositif d'imagerie X synchrotron, combinant radiographie et diffraction, développé au cours de ma thèse permet une étude in situ et en temps réel des phénomènes dynamiques complexes impliqués dans la solidification des alliages métalliques. Grace à ce dispositif, nous avons pu mettre en évidence le processus de TGZM (Temperature Gradient Zone Melting) et ses effets sur la microstructure de solidification.<br />Nous avons également pu quantifier l'évolution de la composition de l'alliage tout au long du processus de solidification. Nous avons montré comment à partir des images 2D obtenues en diffraction, il est possible – en utilisant la théorie dynamique de la diffraction - de reconstruire une représentation 3D des dendrites avant leur mûrissement. Nous avons pu observer et quantifier des phénomènes mécaniques réversibles (rotation) ou irréversibles (fléchissement) au sein de la microstructure dendritique.<br />Enfin, nous avons étudié les déformations apparues suite à la solidification de la phase eutectique.

Ce travail de thèse s'articule autour la résolution des structures cristallines par diffraction des rayons X et neutrons sur poudres en utilisant les méthodes d'optimisation globale. Le premier sujet concerne les phénomènes d'ordre-désordre observés dans certains solides moléculaires organiques de type globulaire. Le deuxième est centré sur la famille des neuropeptides opiacés. Ces neurotransmetteurs régulent, au sein du système nerveux central, les fonctions sensitives telles que la douleur et la respiration. Le but de notre étude était de déterminer la structure cristalline de la Leu-enkephaline, sous sa forme complète ou fragmentée. Enfin, le troisième sujet d'étude est la localisation d'une molécule de benzène adsorbée sur des zéolithes X au sodium de structure déjà connue. Ce résultat a été obtenu par simulation et l'utilisation de cartes d'entropie maximale.

Le poly(éthylène téréphtalate) (PET) est largement utilisé pour le conditionnement des eaux. L'évaluation de l'inertie des matières plastiques au contact de denrées alimentaires est régie par le règlement européen N°10/2011 qui permet d'assurer la sécurité sanitaire des matériaux. Cependant, plusieurs études ont rapporté des effets cyto/génotoxiques et/ou oestrogéniques des eaux embouteillées en PET. Ces réponses ont été attribuées à des mélanges de composés provenant du matériau polymère. L'objectif de ce travail de recherche a été d'apprécier les phénomènes de migration de monomères, catalyseurs, d'additifs et de néoformés du PET vers l'eau. Conformément aux formulations déclarées pour la fabrication des bouteilles en PET, aucune présence de phtalates, d'antioxydants et de stabilisants UV a été détectée dans l'eau. Cependant, la présence de formaldéhyde, d'acétaldéhyde, du 2,4-di-tert-butylphénol et d'antimoine dans l'eau embouteillée en PET a été confirmée. Il a été mis en évidence que la température influence la migration de ces molécules due à une perte d'orientation de la phase amorphe sur la partie semi-cristalline de la bouteille PET. Cela entraine une augmentation de la mobilité des chaînes polymériques. Ainsi, il a été montré que l'exposition solaire n'influence que la migration du formaldéhyde. En effet, aucune oxydation des chaînes polymériques n'a été détectée en surface de bouteilles après irradiation naturelle. L'étude toxicologique in vitro sur des modèles cellulaires humains (cellules HepG2 et MDA-MB453-kb2) n'a pas mis en évidence de cytotoxicité, de génotoxicité et d'activité de type oestrogénique et (anti)-androgénique dans l'eau embouteillée en PET.

I started research using synchrotron radiation (at LURE-Orsay and SRS-Daresbury) during my PhD-Thesis, between 1985 and 1988, mostly using X-Ray Absorption Fine Structure (XAS-EXAFS) and Diffuse Scattering, to investigate the structural properties of alloys, in parallel with laboratory physical metallurgy studies2. I next spent one and a half year as a postdoc at Bell-Labs, where I learnt the bases of Grazing Incidence X-Rays Scattering/Diffraction (GIXS/GIXD), both at NSLS (Brokhaven)3,4 and PEP (Stanford)5. I was employed at the CEA in 1990 to develop synchrotron radiations studies of surfaces and thin films. Between 1990 and 1992, I first built a beamline (in collaboration) and a surface diffractometer6 at LURE, on the supraconducting wiggler, in which I performed first surface diffraction (SRXD) experiments. At that time, I choose to investigate the atomic structure of metal-oxide surfaces by SXRD7,8, as well as the in situ growth of metal on oxide by GIXS and GIXD9, performing also the first in situ Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering (GISAXS) measurements with a punctual detector. Then I have been quickly involved in the development of the French Interface CRF/BM32 beamline at the ESRF, where I co-developed (with Robert Baudoing-Savois) a new surface diffractometer10, associated with a large UHV chamber equipped with Molecular Beam Epitaxy (MBE). This instrument went in operation in 1996. I continued the study of oxide surfaces11 and metal-oxide interfaces12-15, there and on different ESRF beamlines, combining SXRD, GIXS, GIXD and 0D-GISAXS. This was a fast developing and very gratifying period, which was partly summarized in 1998 in a review paper13. In 1999, I developed a complete instrument on the ID32 ESRF beamline to perform GISAXS using a 2-dimensional detector, in UHV, in situ during growth, without any window before the sample, the UHV chamber being directly hooked to the sychrotron ring16,17. This yielded GISAXS measurements of exceptional quality which opened a new area of diverse studies, during which I progressively shifted from metal on oxide growth to the organized growth of metal dots on different patterned substrates1,16,18-23. Around 2001, I developed in situ GISAXS, combined with SXRD/GIXS/GIXD, on the MBE X-ray chamber of the BM32 beamline. Between 2000 and 2005, both instruments have been intensively exploited to investigate growing metal on oxides and (nanostructured) metal surfaces, together with first studies of germanium growth on nanostructured Si surfaces. I had the chance to collaborate with Remi Lazzari, a postdoc, Frederic Leroy, a PhD-student, and Christine Revenant, forming a team who developed the quantitative analysis of our GISAXS data, trying to go beyond simple analyses, and to understand in detail the diffuse scattering in GISAXS16,18,19,21,24. In parallel, thanks to the venue in our laboratory of specialists of anomalous scattering (Vincent Favre-Nicolin, Hubert Renevier, Johann Coraux), we developed the technique of Multiple Anomalous GISAXS (MAD-GISAXS)22. During all these years, we performed GISAXS measurements during growth, probing the morphology, in parallel with scattering measurements (SXRD, GIXS, GIXD), sometimes 2 anomalous, to probe the structure and composition of growing islands. Because covering all these results would be too wide a field , I have chosen in the first part of this manuscript to concentrate on the GISAXS part of our studies, corresponding to about 6 years of work, between 1999 and 2005. This work also led to the writing of an invited review25. Since then, my research has evolved toward in situ studies with all these x-ray techniques, of the growth of semiconductor islands (Ge on Si) and semiconductor surface structure26, with a very recent extension of our MBE system to perform Chemical beam Epitaxy (CBE or UHV-CVD, Chemical Beam Epitaxy) in parallel with MBE. One of the objective of this combined MBE/CVD system is to allow for in situ structural investigations of growing semiconductor nanowires, which we already started by studying the fusion/solidification processes of AuSi eutectic catalysers27. This last work is the object of a very brief perspective chapter at the end of this manuscript. During all my research work, I have tried to develop and use synchrotron radiation scattering techniques to get the most accurate structural or morphological information during growth, with the goal of going beyond technical studies, to try to understand the basic mechanisms of the processes involved, such as the 3D growth of metal on oxide, or the intermixing between the Si substrate and the Ge deposit. I hope that this permanent concern is also revealed in this manuscript.

La diffraction des rayons X a été développée depuis près d'un siècle pour la détermination de structures cristallographiques. Mais la détermination des structures les plus complexes (protéines, structures incommensurables...) nécessite l'utilisation de la diffraction anomale, i.e. la mesure des intensités de diffraction à plusieurs longueurs d'onde au voisinage du seuil d'absorption d'un élément du cristal. Cette technique permet d'obtenir une information sur la phase du facteur de structure, ainsi que sur les positions des atomes anomaux. Dans cette thèse, nous présentons la Diffraction Anomale Dispersive (DAD), qui permet de mesurer simultanément les intensités diffractées à plusieurs longueurs d'onde, pour de nombreuses réflexions. Nous présentons deux modes de collecte, continu (DDAFS-Dispersive Diffraction Anomalous fine Structure), et discret (SMAD-Simultaneous Multiwavelength Anomalous Diffraction). Nous avons développé une procédure et un programme (DAD) pour l'analyse quantitative des images de diffraction dispersive. Ce programme permet également l'analyse d'images de diffraction monochromatique présentant des réflexions satellites proches des pics principaux. Nous présentons les deux premières expériences quantitatives de diffraction dispersive sur des cristaux biologiques. Nos résultats montrent que la détermination de structure par la méthode SMAD est possible. Des améliorations aux protocoles de collecte et d'analyse sont encore nécessaires pour ces cristaux. Une partie importante de cette thèse a été consacrée à l'étude de (TaSe4)2I : ce cristal quasi-1D présente une transition de Peierls, la condensation des atomes de tantale étant recherchée depuis 15 ans. Notre étude a d'abord caractérisé la structure en domaines de ce matériau, et la diffraction anomale a mis en évidence de manière spécifique la tétramérisation des atomes de tantale, accompagnant la modulation acoustique déjà connue.

Les propriétés exceptionnelles des sources de rayonnement synchrotron ont été et sont de plus en plus exploités dans des disciplines très différentes, allant de l'archéologie à la chimie, de la science des matièraux a la biologie, de la médecine à la physique. Parmi ces propriétés, il est important de mentionner la haute brillance, le spectre continu, le haut degré de polarisation, la structure temporelle, la petite taille de la source et la petite divergence du faisceau. Ces dernières propriètèes entraînant une forte cohérence transversale du rayonnement produit. La cohérence du faisceau a permis le développement des nouvelles techniques comme par exemple, l'imagerie à contraste de phase, la spectroscopie à corrélation des photons et l'imagerie par diffraction des photons cohérents. Par conséquent, il est de première importance que les éléments optiques puissent préserver cette propriété, perturbant le moins possible la front d'onde. Ce travail de thèse se constitue de trois parties. Dans la premiere partie, je vais présenter le travail effectué au sein du groupe optique de l'ESRF dans la caractérisation des cristaux de diamant synthétique de haute qualité prévus pour des applications aux optiques pour les rayons X. Cet caractérisation a été effectué en utilisant différentes techniques rayons X complémentaires, telles que la diffractométrie à haute résolution, la topographie, la diffraction en incidence rasante, la réflectométrie et des mesures de préservation de cohérence en utilisant l'effet Talbot. Dans la deuxième partie, je expose les résultats obtenu dans l'étude du comportement à haute température des domaines ferroélectriques dans un cristal périodiquement polarisé. Dans cet type d'étude, basé sur la diffraction de Bragg-Fresnel, est nécessaire un haute cohérence du faisceau. Dans la troisième partie, je présents des résultats obtenu dans la caractérisation des diamants prévus pour des applications autres que les optique rayons X.