La synthèse et la caractérisation de nanoparticules de polymère dopées d’un complexe luminescent et de nanoparticules d’argent ont été réalisées. La polymérisation en mini-émulsion a permis d’obtenir des nanoparticules de polystyrène dopées d’un complexe luminescent. La concentration de complexe d’europium maximale pouvant être atteinte, sans qu’il y ait déstabilisation de l’émulsion, est de 2% (m/m). Il est également possible de préparer des nanoparticules de polymère contenant le complexe luminescent, ainsi que des nanoparticules métalliques. Pour ce faire, le complexe et les nanoparticules métalliques doivent être dispersés dans le monomère de départ. Il est donc nécessaire de modifier la surface des nanoparticules métalliques afin qu’il y ait une bonne affinité entre les nanoparticules métalliques et le polymère. Il est intéressant de confiner les nanoparticules métalliques dans la même particule de polymère que le luminophore afin d’observer leur impact sur la luminescence. Le rehaussement ou l’exaltation de la luminescence au voisinage de nanoparticules métalliques est un phénomène bien connu. Lorsqu’une nanoparticule métallique est excitée par une onde électromagnétique qui correspond à la fréquence de résonnance du nuage électronique de la particule, une augmentation du champ électrique est engendrée à proximité de la particule et a pour effet de rehausser la luminescence des luminophores à proximité. Les propriétés optiques des nanoparticules hybrides obtenues (polystyrène/complexe luminescent/argent) montrent, qu’effectivement, en présence d’argent, une augmentation de l’intensité lumineuse peut être observée.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les propriétés luminescentes des lanthanides sont connues depuis longtemps et proviennent des nombreuses transitions dans les couches électroniques 4f partiellement remplies. L'utihsation d'ions lanthanides, plus particulièrement en imagerie optique, offre plusieurs avantages par rapport aux fluorophores organiques conventionnels. En plus d'avoir une meilleure photostabilité, ils présentent également des bandes d'émission fines. En outre, l'incorporation de fluorophores dans des nanoparticules les rend plus résistants à la dégradation. De plus, l'intégration de plusieurs fluorophores dans une seule nanoparticule permet d'augmenter la sensibilité. Dans le cadre de ce projet, des nanoparticules de fluorure d'yttrium dopées aux lanthanides ont été obtenues par une synthèse en microémulsion inverse. Il est possible de contrôler la synthèse pour obtenir des nanoparticules cristallines ayant une forme particulière. Il a été démontré, grâce à la microscopie électronique à transmission, que ces nanoparticules conservent leur structure cristalline jusqu'à un certain taux de dopage en ions lanthanides. De plus, la spectroscopie à fluorescence a permis d'observer la luminescence due à une excitation directe des ions lanthanides. Différents types de structures coeur-coquille ont également été étudiés puisqu'il est suggéré que la luminescence d'un ion peut dépendre de sa proximité à la surface. La forme désirée des nanoparticules peut être conservée pour ce type de structure selon les conditions expérimentales. De plus, l'intensité de l'émission est influencée par l'ajout d'une coquille ainsi que par la taille de cette dernière.

Les allotropes de carbone sont des matériaux très polyvalents qui sont étudiés par la communauté scientifique depuis plusieurs décennies. Depuis la découverte des fullerènes, des nanotubes et du graphène, une grande part de la recherche scientifique s’est concentrée sur ces matériaux à cause de leurs caractéristiques uniques. En effet, le carbone a le potentiel d’être utilisé dans une foule d’applications. Sa stabilité chimique et sa conductivité thermique, de même que sa conductivité électrique, expliquent le grand intérêt de la communauté scientifique pour ce type de matériaux. La silice structurée est intéressante pour l’adsorption de divers produits puisqu’il est possible d’en modifier simplement la surface avec des ligands adaptés pour l’application voulue. Au cours des dernières années, des recherches ont été réalisées pour la séparation et l’extraction des terres rares (TRs). En effet, il a été démontré que l’utilisation de silice modifiée avec un ligand de type amide diglycolic mène à de meilleurs résultats qu’une résine commerciale pour la séparation des terres rares. En revanche, la silice ne possède pas la stabilité chimique à des pH acide (<4) nécessaire pour les applications industrielles. Le carbone mésoporeux est une bonne alternative pour obtenir un adsorbant solide pour l’extraction des TRs. Cette forme de carbone nanostructurée est un matériau intéressant pour l’adsorption de composé puisqu’elle possède à la fois une grande surface spécifique et une excellente stabilité chimique. Ces caractéristiques en font un matériau qui pourrait être bien adapté pour les extractions au niveau industriel. Ce mémoire porte sur la modification de surface de carbone mésoporeux pour l’extraction sélective des TRs et leur application à des pH acides. Les différentes structures de carbone poreux (CMK-3, CMK-5, CMK-8, etc…) ont été synthétisées, modifiées par des ligands sélectifs pour les TRs et leurs comportements pour la sélectivité et l’extraction des TRs. Le développement de ces supports est intéressant dans la perspective du développement durable et des technologies vertes en milieu industriel. En effet, ce type de matériaux très stables offre un grand potentiel industriel. En effet, il serait théoriquement possible de les réutiliser de nombreuses fois, ce qui entrainerait une diminution des quantités de matières premières et de déchets associés requises pour leurs synthèses. / Carbons allotropes have been under constant study for more than two decades. Ever since the discovery of fullerene, nanotube and graphene, the number of papers showing different synthesis route for their surface modification has been steadily increasing. Indeed, carbon has the potential to be a great support for a lot of applications. Carbon’s unique attributes for chemical resistance, thermal stability, thermal conductivity and high electrical conductivity explain the high interest of the scientific community for this material. Structured silica is useful for adsorption of various products since it is possible to simply modify its surface with ligands suitable for the desired application. Over the last few years, research has been conducted for the separation and extraction of rare earth elements (REEs). Indeed, it has been demonstrated that the modified silica with a diglycolic amide-type ligand obtained better results than the current commercial resin for the separation of rare earth elements. However, silica lack of chemical resistance to acidic pH (˂4) required for industrial applications is a major drawback for this material. The mesoporous carbon is a good alternative to be used as a solid adsorbent for extraction of REEs. This allotrope of carbon presents a large surface area as well as a greater chemical resistance which makes it better suited for industrial extractions. This research therefore focuses on the surface modification of mesoporous carbon for the selective extraction of REEs and their application to acidic pH. Different porous carbon structures (CMK-3, 5-CMK, CMK-8, etc.) were synthesized, modified by selective ligands for the REEs and behaviours for selectivity and extraction of REEs. The development of these materials is interesting in the context of sustainable development and green technologies in an industrial environment

Jusqu’à l’aube du 21e siècle, les lanthanides étaient considérés comme les métaux les plus difficiles à travailler et à manipuler. En effet, en raison de leur chimie de coordination imprévisible, la caractérisation des complexes de lanthanides représente un défi de taille pour les chimistes expérimentaux. Cependant, les dernières décennies ont vu une évolution considérable de la chimie organométallique de ces éléments du groupe f. Les orbitales-f non-perturbées contenant plusieurs éléctrons non-appariés dans certains lanthanides les ont rendu indispensables dans des applications modernes tels la catalyse, les diodes électroluminescents organiques, les luminophores, les agents de contraste en IRM et les matériaux magnétiques. La coordination de composés déficients en électrons aux lanthanides est considérée difficile en raison de l’électrophilcité de ces éléments. Malgré tout, les uniques propriétés magnétiques et optiques des lanthanides rendent importante l’étude de leurs complexes avec divers ligands, en particulier avec ceux qui possèdent un caractère acide de Lewis. Nous avons décidé de nous intéresser à ce défi en concevant des ligands hétéroaromatiques de bore capables de satisfaire les exigences électroniques et stériques des lanthanides. En plus de réaliser la coordination de ces ligands déficients en électrons à des lanthanides, nous avions pour but d’étudier leur effet sur les propriétés magnétiques de ces métaux. Premièrement, nous avons préparé un complexe monoanionique de boratabenzène et avons étudié sa coordination avec plusieurs ions de lanthanides. Un complexe inédit de tris(boratabenzène)lanthane a été isolé et caractérisé. Les composés diboratabenzènes de lanthanides, cependant, se sont révélés être difficiles à isoler. C’est pourquoi, nous avons synthétisé le 1-mesityl-4-iPr-boratabenzene comme ligand encombré stériquement. Ce dernier a révélé une réactivité riche avec l’eau et différentes bases. Nous avons aussi synthétisé une famille de diboraanthracènes dianioniques, dans le but de former des complexes « sandwich » et « triple-decker » de lanthanides. Une chimie intéressante a été observée pour ces ligands, alors que nous les avons coordonnés à plusieurs lanthanides. Un complexe « triple-decker » inverse de lanthane a été obtenu et étudié. Finalement, nous avons investigué la conception de ligands pour l’extraction sélective des lanthanides à partir de leurs minerais. Ce procédé coûteux et difficile nécessite une connaissance approfondie de la chimie de coordination des lanthanides. À cause de leur charge et de leur taille similaire, la séparation des différents lanthanides est un défi de taille. Pour cette raison, nous avons préparé des ligands polydentates qui agissent comme des donneurs « durs » d’électrons afin de lier les lanthanides. En variant l’angle de chélation, une certaine sélectivité peut être obtenue. De plus, en immobilisant ces ligands sur des supports solides, leur sélectivité et durabilité peut être améliorée pour donner une solution simple et « verte » au problème de l’extraction des lanthanides. / Until the beginning of 21st century, lanthanides were considered to be the most difficult metals of the periodic table to work with. Due to the unpredictable coordination behavior of the lanthanide complexes, it was challenging for the chemists to know the exact nature of the complexes formed. However, the last decade has witnessed tremendous growth in the organometallic chemistry of these f-elements. Their unperturbed f-orbitals with large number of unpaired electrons have made them indispensable components in many modern day applications like catalysis, OLEDs, luminophores, MRI agents, magnetic materials, amongst others. The coordination of electron deficient compounds to lanthanides is considered to be challenging due to the electrophilicity of these elements. Nevertheless, the interesting magnetic and optical properties shown by lanthanides makes it of interest to investigate the effect various ligands containing Lewis acidic moieties in order to expand the scope of their properties. We decided to address this challenge by designing boron heterocyclic aromatic ligands for lanthanides that are able to satisfy both the electronic and steric requirements of these metals. Apart from achieving the coordination of these electron deficient boron compounds to lanthanides, we wanted to study their effect on the magnetic properties of the lanthanides. Initially, we synthesized a monoanionic boratabenzene ligand and studied its coordination to various lanthanide ions. A unique trisboratabenzene lanthanum complex was isolated and characterized. However, diboratabenzene lanthanide complexes were challenging to isolate and hence a sterically bulky 1-mesityl-4-iPr-boratabenzene ligand was synthesized for this purpose. This bulky ligand showed some interesting reactivity towards bases and water. We also synthesized several dianionic diboraanthracene ligands to isolate sandwich and triple-decker complexes of lanthanides. The interesting reactivity of these ligands to lanthanides was observed and the successful coordination of this electron deficient ligand to lanthanides was achieved. An inverse sandwich and triple-decker complexes of lanthanum were studied. We also investigated the design of ligands for the selective extraction of lanthanides from their ores. This is a challenging and expensive process where the knowledge of lanthanide coordination chemistry can highly profit. Due to their similar charge and size, it is difficult to separate individual lanthanides from their mixtures. We synthesized polydentate ethereal amides that act as hard donors and coordinate lanthanides. The selective extraction of smaller lanthanide ions was achieved by variation of bite angle of these ligands. The immobilization of the ligands on the solid support provided rigidity to the ligands and enhanced their selectivity and durability, thus providing an environmental friendly system for extraction.

Les éléments terres rares (ETRs) sont un groupe de 17 métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium, l'yttrium, et les 15 lanthanides. Ces éléments sont indispensables à la production de nombreux appareils de haute technologie et incontournables dans le développement des énergies durables. Contrairement à ce que suggère leur appellation, les ETRs sont assez répandus dans la croûte terrestre, alors que leur extraction, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL), est extrêmement difficile, coûteuse et surtout polluante. Afin de fournir une alternative aux procédés industriels, les matériaux mésoporeux à base de silice ont été sollicités à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Ces matériaux structurés sont intéressants pour l’adsorption d’ETRs puisqu’il est possible d’en modifier simplement la surface avec des ligands adaptés pour l’application voulue. Dans cette thèse, deux séries de ligands à base de structure phthaloyl diamide (PA) et phenylenedioxy diamide (PDDA) ont été synthétisés et greffés sur la surface de matériaux mésoporeux à base de silice KIT-6. Il s’avère, aux vues des résultats obtenus, que ces adsorbants permettent d’extraire sélectivement les éléments de taille différente selon le bite angle du ligand greffé, tandis que la sélectivité n’a pas été observée pour ses analogues homogènes sous la condition de l’extraction liquide-liquide. En plus, les réseaux bimodaux monolithiques qui présentent simultanément des mésopores ainsi que des macropores (pores > 50 nm) sont avantageux, surtout pour l’extraction en conditions dynamiques (en colonne). Les mésopores permettent d’augmenter la surface spécifique du matériau ainsi la surface de contact entre l’agent actif et la solution. Les macropores, quant à eux, améliorent la capacité de transport des fluides, permettant d’éviter l’accumulation des produits et d’ainsi de bloquer les sites actifs. Dans cette étude, des monolithes à base de silice de taille de quelques centimètres ont été obtenus. Après la fonctionnalisation avec le ligand diglycolamide (DGA), les monolithes révèlent des profils de sélectivité exceptionnels envers le Th(IV) dans l’extraction en colonne. La technique concernant les matériaux à empreinte ionique rend possible une sélectivité spécifique. Dans ce cas-ci, la synthèse de matériaux a été réalisée par la co-condensation entre l’organosilane et le précurseur siliceux en présence d’ion Dy3+. Par la suite, la molécule empreinte est enlevée, laissant derrière elle les sites de liaisons et une cavité ayant la forme et la taille du Dy3+. Ainsi, les silices empreintes sont capables de séparer spécifiquement et sélectivement l’ion Dy3+. Dans tous les trois systèmes présentés ici, ces matériaux peuvent aussi être considérés comme étant intéressants pour les applications industrielles, tant en terme de la stabilité sous les conditions d’adsorption testées, que de la sélectivité et de la capacité d'adsorption envers les échantillons de déchets minéraux. / Rare Earth Elements (REE) are a group of 17 chemically similar metals that have gained an increasing importance over the past decades, due to their unique properties and many applications in high-tech products. The term “rare” is rather deceptive, since they are quite abundant in the Earth’s crust. However, their extraction and purification can be challenging, and the industrial extraction processes of REEs are often costly and environmentally hazardous. This thesis aims at developing a competitive solid-phase extraction system, based on functional porous silica materials, for the selective extraction of REEs in solution that can be industrially applied. In particular, ordered mesoporous silica (OMS) is a versatile platform that can offer large specific surface area, variety in material structures and morphologies, and stability under applied extraction conditions. Furthermore, the surface properties of OMS allow for easy functionalization with a variety of organic ligands, which largely influence the extraction performance of the sorbents. In this work, the OMS KIT-6 were functionalized by grafting two series of chelating ligands on the silica surface, i.e., preorganized bidentate phthaloyl diamide (PA) ligands and tetradentate phenylenedioxy diamide (PDDA) ligands. By fine-tuning of the bite angles of these chelating ligands, we successfully separated REEs into three categories based on their ionic radius. However, the use of small size particles as packing materials is often associated with a high backpressure of the column, thus limiting their industrial applicability in high flow-rate chromatography analysis. Therefore, the hierarchically structured silicas that contain both macropores (pore size > 50 nm) and mesopores are highly desirable. We report in this work a highly stable silica monolith exhibiting a bimodal, hierarchical macroporous-mesoporous structure for continuous column extraction. Upon grafting of diglycolyl amide (DGA) ligand, the applicability of the column was demonstrated by the removal of Th(IV) from two REE mineral leachates with largely enhanced kinetics and extraction capacity. Finally, in order to further improve the selectivity of sorbents, molecular recognition approach was applied to synthesize highly ordered ion imprinted mesoporous silica (IIMS) through co-condensation using a combination of molecular imprinting technology and traditional OMS, in which dysprosium ion was used as the template. After template removal, the IIMS showed attractive recognition capacity toward Dy3+ from mild acidic solution. Beside the excellent selectivity, in all the three proposed systems, the sorbents were also proven robust and were able to be regenerated for multiple cycle uses, further demonstrating their potential for industrial applications.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Cette thèse de doctorat porte sur l'application des liquides ioniques à base de phosphonium et d'ammonium pour l'enrichissement des minéraux à base d'éléments de terres rares. Le manuscrit de thèse a été divisé en quatre parties principales. Tout d'abord, l'utilisation des liquides ioniques à base de phosphonium et d'ammonium a été explorée dans trois procédés différents pour la valorisation des minéraux de terres rares. Ces trois approches ont été examinées pour des minéraux à base d’éléments de terres rares contenus dans un minerai complexe en provenance du gisement Niobec au Québec ainsi que des minéraux modèles de monazite et de bastnäsite associés à la gangue du minerai Niobec. Par la suite, l'application de ces liquides ioniques à l'extraction par solvant des éléments des terres rares a été étudiée par simulation à l’aide d’outil de chimie quantique. Dans le premier cas de valorisation des minéraux de terres rares, l'application d'un liquide ionique à base de phosphonium /ammonium comme collecteur aqueux pour la flottation par moussage de minéraux des terres rares a été étudiée. Dans cette étude, le liquide ionique a été identifié pour posséder des performances supérieures à celles offertes par les collecteurs classiques utilisés en industrie comme les collecteurs dérivés de l'acide hydroxamique industriel. Les interactions anioniques et cationiques du liquide ionique durant la flottation des minéraux d’éléments de terres rares ont été scrutées en détail pour révéler qu’une voie de synergie interne explique en partie les résultats de la flottation en terme de chimisorption de la partie anionique et de la physisorption et de la partie cationique du liquide ionique. Dans le deuxième cas d'enrichissement des minéraux de terres rares, le potentiel de la séparation minérale liquide (aqueuse)-liquide (organique) au moyen de trois types de liquides ioniques à base de phosphonium /ammonium a été étudié. Cette approche s'est avérée supérieure à la micro-flottation conventionnelle appliquée aux mêmes minéraux en termes de sélectivité. De même, il a été démontré que ce procédé peut être appliqué avec efficacité sur une large gamme de pH (4-9) et pour des particules finement broyées (- 105 μm) pour fins de valorisation des minéraux de terres rares. Il a été révélé que l'interaction du liquide ionique sur les surfaces minérales se produisait en phase aqueuse, en phase aqueuse-organique et également en phase organique favorisant ainsi l'activation des minéraux et la séparation subséquente. Dans le troisième cas d'enrichissement des minéraux de terres rares, le potentiel de séparation dans un mélange de deux liquides ioniques immiscibles a enfin été exploré. Un liquide ionique à base de phosphonium / ammonium comme phase dispersées sous forme de gouttelettes et trois liquides ioniques différents faisaint office de phase continue ont été utilisés pour évaluer cette nouvelle approche d'enrichissement des minéraux d’éléments de terres rares. Ce processus s’est avéré très prometteur en tant qu'alternative d'enrichissement des minéraux à base d’éléments de terres rares comparativment aux deux approches précédentes en termes de sélectivité et de récupération des éléments de terres rares. Enfin dans la dernière partie de la thèse, des simulations de type chimie quantique basée sur la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) ont été mises en oeuvre pour proposer une méthode de classification reposant sur la stabilité de la formation de complexes à partir de trente différents liquides ioniques à base de phosphonium aidant à l'extraction par solvant des éléments de terres rares solvatés. Cette étude a d'une part montré que les liquides ioniques choisis peuvent être appliqués plus efficacement pour l'extraction par solvant des éléments de terres rares contenus dans les solutions aqueuses après digestion acide des minéraux par l’acide nitrique ou chlorhydrique plus que lors d’un recours à l'acide sulfurique. Il a ensuite été démontré que les groupements anioniques des liquides ioniques testés sont capables de former directement des liaisons covalentes par complexation avec les éléments des terres rares solvatés. Au contraire, les interactions des groupements cationiques ont été plus faibles se résumant à des interactions de sphère externe par rapport au complexes formés. Ce travail de recherche a permis d’explorer la faisabilité dans l'application des liquides ioniques à base de phosphonium au traitement des minéraux et des métaux de terres rares. Les résultats obtenus durant cette étude pourront contribuer à une meilleure compréhension de l’apport des liquides ioniques au secteur des industries des terres rares afin en ayant pour cible l'amélioration de l'efficacité des procédés d'enrichissement des minéraux et d'extraction par solvant des éléments de terres rares dissous. / This Ph.D. thesis examines the application of phosphonium/ammonium based ionic liquids in the beneficiation of rare earth element bearing minerals. It has been divided into four main parts. Firstly, the use of phosphonium/ammonium based ionic liquids in three different approaches for rare earth element minerals beneficiation has been explored. These three processes were examined for actual rare earth elements bearing complex ore from Niobec deposit as well as for its constitutive model minerals consisting of monazite and bastnäsite associated with other gangue minerals. Subsequently, application of phosphonium based ionic liquids in rare earth elements solvent extraction has been studied from quantumchemistry point of view. In the first process in rare earth element minerals beneficiation, application of a phosphonium/ammonium based ionic liquid as an aqueous collector for froth flotation of rare earth element minerals was studied. In this study, the ionic liquid revealed superior performance to recover rare earth elements bearing minerals as compared with industrial hydroxamic acid collectors. The ionic liquid anionic and cationic moieties interactions during rare earth element minerals flotation were rationalized in terms of an inner synergistic pathway, meaning that the uptake of both cationic and anionic moieties through ionic liquid collector adsorption occurred altogether. In the second process in rare earth element minerals beneficiation, the potential of liquid-liquid mineral separation mediated by means of three types of phosphonium/ammonium based ionic liquids to beneficiate rare earth elements bearing minerals was studied. This process was found to outperform micro-flotation of the same minerals in terms of selectivity. Likewise, it was shown that this process can be effectively applied over a wide range of pH (4-9) and for fine particle sizes (-105 μm) in rare earth element minerals beneficiation. Interaction of the ionic liquid on the mineral surfaces occurred in aqueous phase, aqueousorganic phases interface and also in the organic phase thereby promoting minerals activation and next separation. In the third process in rare earth element minerals beneficiation, the potential of ionic liquid-ionic liquid mineral separation process as a novel ionic liquid-based system to beneficiate rare earth elements bearing minerals was investigated. A phosphonium/ammonium based ionic liquid as droplet phase and three different ionic liquids as continuous phase were used to assess this approach of beneficiation of rare earth elements bearing minerals. This process revealed high potential, as an alternative, to beneficiate rare earth elements bearing ore as it even outperformed the two previous processes in terms of selectivity and rare earth elements recovery. In the last part of this thesis, quantum chemistry simulations based on DFT have been undertaken to rank the complex-forming ability of thirty different phosphonium based ionic liquids in solvent extraction of rare earth elements. This study firstly indicated that phosphonium based ionic liquids can be applied more effectively for solvent extraction of rare earth elements in pregnant solutions resulting from nitric and hydrochloride acids leaching process, and less by means of sulfuric acid leaching. It was also demonstrated that while anionic moieties of phosphonium based ionic liquids are able to make directly covalent bonds during complexation with rare earth elements, their cationic moieties can be involved in complexation through outer-sphere interactions. The implications of this research work include new insights towards application of phosphonium based ionic liquids into mineral and metal processing especially rare earth elements processing. Finding from this work can contribute to the rare earth industry in order to improve efficiency of mineral beneficiation and solvent extraction processes.

Les terres rares (TRs) sont des métaux stratégiques du XXIe siècle dont la demande croissante résulte de leurs propriétés essentielles, notamment dans les domaines des énergies renouvelables, de la médecine et des hautes technologies. Ils sont classés en TR lourdes (HTRs), terres légères légères (LTRs) et non-lanthanides. Leur dissémination dans l'environnement, associée à une faible recyclabilité, fait des TRs des contaminants émergents pour lesquels les études de toxicité sont jusqu'à présent très disparates. Afin d’établir une base générale de la réponse cellulaire et moléculaire à un stress TRs, nous avons premièrement utilisé des stratégies complémentaires et à haut débit pour étudier la réponse, ainsi que l’absorption des TRs chez le modèle eucaryote Saccharomyces cerevisiae. Les deletome, transcriptome, protéome et ionome de la levure ont été analysés et approfondis par des analyses physiologiques ciblées. Bien que des réponses communes aux TRs et à d'autres métaux aient été mises en évidence, les réponses spécifiques aux TRs étaient prédominantes. La composition de la paroi cellulaire, la biosynthèse des sphingolipides, la voie ESCRT et l'endocytose sont des éléments clés de la réponse aux TRs. Deuxièmement, nous avons exploré les effets des TRs sur le transcriptome et le ionome du modèle végétal Arabidopsis thaliana. L'exposition des TRs a négativement impacté l'architecture racinaire, comme l'a révélé la modulation de gènes liés à l'auxine. De plus, le ionome a été modifié et les gènes liés à une carence en Fe largement représentés parmi les gènes les plus différentiellement exprimés. Afin d'identifier de nouvelles plantes modèles accumulant des TRs, des espèces de Phytolacca et de fougères ont été criblées. Malgré un trait d’accumulation des TRs conservé chez quelques genres de fougères et Phytolacca, un enrichissement en HTRs chez Phytolacca et en LTRs chez les fougères a été observé. Cependant, plusieurs espèces de Dryopteris présentent des teneurs contrastées en TRs dans les frondes et représentent de nouveaux modèles pertinents pour décrypter les mécanismes d’accumulation et de tolérance aux TRs. Globalement, des divergences ont été mises en évidence dans la réponse aux différentes TRs, en fonction de leur rayon ionique. La composition de la paroi cellulaire, la détoxification vacuolaire, mais aussi l’accumulation et le fractionnement des TRs ont souligné ces différences. Nous avons confirmé que les LTRs empruntaient les canaux calciques, tandis que de nouvelles preuves ont été données sur le rôle des transporteurs de Fe dans l'accumulation de HTRs. En conclusion, nous apportons ici de nouveaux éléments sur la toxicité et les spécificités des TRs, ainsi que des explications moléculaires pour certains effets déjà connus. Ce travail constitue un premier travail de base complet et multi-approches pour de futures études afin d’approfondir la compréhension de la toxicité des TRs chez les organismes vivants. / Rare earth elements (REEs) are strategic metals whose demand in the 21st century is increasing as a result of their essential properties useful to the fields of renewable energies, medicine, and high-technologies. They are classified as heavy REEs (HREEs), light REEs (LREEs) and non-lanthanides. Their dissemination in the environment, together with poor recyclability, leads REEs to be considered emerging contaminants, for which toxicity studies are currently very fragmented. To build a strong general foundation on the cellular and molecular response to REEs, we first adopted high-throughput and complementary strategies to study the REE stress response and their uptake in the unicellular eukaryotic model Saccharomyces cerevisiae. The deletome, transcriptome, proteome and ionome of yeast were analysed together with in-depth physiological experiments. Although common responses between REEs and other metals were highlighted, REE-specific responses were predominant. Cell wall composition, sphingolipid biosynthesis, the ESCRT pathway and endocytosis were emphasized as key elements in the cellular response to REEs. Second, we explored how REEs affect the transcriptome and ionome of the plant model Arabidopsis thaliana. REE exposure negatively affected the root architecture, as revealed by the modulation of auxin-related genes. REEs impaired the ionome, and Fe deficiency-related genes were largely represented among the most differentially expressed genes in both roots and leaves. Additionally, to identify new REE-accumulating plant models, collections of ferns and Phytolacca species were screened. Despite a conserved REE accumulation trait for Phytolacca and a few fern genera, HREE enrichment was observed in Phytolacca, while LREEs were preferentially transferred into the fronds of all fern species. However, several Dryopteris species harboured contrasting REE contents in the fronds. The latter species will be of great importance in deciphering the mechanisms of REE accumulation and tolerance. Overall, the response towards REEs differed according to their ionic radius. The cell wall composition, vacuolar detoxification, and the accumulation and fractionation of REEs notably accounted for these differences. Our findings support LREE-mediated entry through calcium channels, while new evidence was provided for the role of Fe transporters in the accumulation of HREEs. In conclusion, we have provided new insights into REE toxicity and specificities, together with the molecular elucidation of REE effects that have not previously been mechanistically explained. This work is a first multi-approach comprehensive groundwork that will be used for future studies to deepen the understanding and assessment of REE toxicity in organisms.

Ce travail s'inscrit dans la problématique du stockage en formation géologique profonde des verres borosilicatés de confinement des déchets de Haute Activité à Vie Longue (HAVL). Ces derniers contiennent des produits de fission et actinides mineurs issus des combustibles usés. Les terres rares font partie des produits de fission et peuvent simuler les actinides mineurs. De nouvelles formulations de verres pourraient conduire à une augmentation des teneurs en produits de fission. Dans ces conditions, il est particulièrement important de bien connaître à la fois l'influence des terres rares sur la structure du verre, que leur évolution au cours de l'altération par l'eau et leur influence sur les cinétiques d'altération du verre. Cette étude porte sur des verres borosilicatés simplifiés afin de limiter les effets de synergie entre les terres rares et d'autres éléments. Différentes approches complémentaires ont été mises en œuvre pour caractériser le verre sain et les pellicules d'altération (RMN haute résolution solide, spectroscopie Raman, fluorescence, SIMS, diffusion des RX aux petits angles ...). Le rôle structural de la terre rare est dans un premier temps discuté et a été comparé à celui du calcium. L'environnement local des terres rares a également été sondé. Dans un deuxième temps, l'effet des terres rares (nature et concentration) a été observé sur différents régimes d'altération (vitesse initiale et chute de vitesse). Enfin, suite à l'altération, les terres rares étant retenues au sein de la couche altérée, l'impact structural des terres rares (et leur environnement local) au sein de cette pellicule a aussi été investigué.

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude structurale et magnétique de nanomatériaux magnétiques à base de terres rares (R) et de métaux de transition (T) dont le domaine d'application concerne les aimants permanents ou l'enregistrement magnétique à haute densité. Dans la recherche de nouvelles phases aux caractéristiques magnétiques performantes, nous nous sommes intéressés à l'alliage Pr2Co7 . Ce composé a des propriétés magnétiques dures intéressantes : température de Curie élevée et une anisotropie magnéto-cristalline uniaxiale importante. Du point de vue magnétique, les interactions d'échange Co-Co sont les plus fortes, suivies par les interactions R-Co, tandis que les interactions R-R sont très faibles. La dominance des interactions Co-Co induit des températures de Curie assez élevée dans les composés Pr2Co7 . L'anisotropie magnétocristalline résulte de la combinaison de deux anisotropies uniaxiales des réseaux de praséodyme et de cobalt. Afin de renforcer ces interactions, il s'avère nécessaire de substituer partiellement le cobalt dans les composés Pr2Co7 par un élément approprié tel que le fer qui a un rayon légèrement plus gros que celui du cobalt ou par insertion d'un élément léger tel qu’hydrogène ou le carbone qui peuvent augmenter les distances interatomiques et renforcer le moment magnétique. De plus, parallèlement à des propriétés magnétiques intrinsèques performantes, il est nécessaire d'optimiser les propriétés magnétiques extrinsèques de l'alliage par la recherche d'un état nonocristallin convenable correspondant aux applications potentielles. Les propriétés extrinsèques des composés Pr2Co7 n'ont été que très peu étudiées. Plusieurs méthodes ont été utilisées pour l'élaboration des nanomatériaux. Dans notre étude, nous avons mis en œuvre la technique de broyage à haute énergie suivie d'une recristallisation contrôlée, méthode de synthèse qui jusque-là n'avait pas encore été utilisée pour synthétiser ce type de composé. À cette échelle, la taille des grains devient de l'ordre de grandeur de la longueur d'échange. Cette méthode qui constitue un processus de synthèse hors équilibre, permet l'obtention de poudres nanostructurées métastables à partir d'un mélange de poudres élémentaires. Cette technique est particulièrement efficace dans le cas des alliages à base de terre rares (Pr, Sm...) qui sont extrêmement volatil. En effet, elle permet d'éviter l'état liquide puisque la réaction a lieu en dessous de la température de fusion et conduit à des quantités importantes reproductibles et homogènes d'alliages. Nous avons utilisé différentes méthodes de caractérisation à savoir : la diffraction de rayon X (DRX), la microscopie électronique à transmission (MET) couplée avec l'analyse EDX,la Magnéto/susceptométre Manics DSM-8 / This work falls within the general framework of the structural and magnetic nanomaterials based magnetic rare earth (R) and transition metal (T) whose domain of application concerns the permanent magnets or magnetic recording high density. In search of new magnetic phases in performance characteristics, we were interested in the alloy Pr2Co7. This compound has interesting hard magnetic properties: high Curie temperature and uniaxial magnetocrystalline anisotropy important. From the perspective of magnetic exchange interactions Co-Co are the strongest, followed by R-Co interaction, while the RR interactions are very weak. The dominance of Co-Co interactions induces relatively high Curie temperatures in compounds Pr2Co7.The magnetocrystalline anisotropy results from the combination of two networks uniaxial anisotropy praseodymium and cobalt. To strengthen these interactions, it is necessary to partially substitute cobalt in compounds Pr2Co7 by an appropriate element such as iron which has a radius slightly larger than that of cobalt or by insertion of a light element the hydrogen and carbon that can increase the interatomic distances and enhance the magnetic moment. Moreover, along with intrinsic magnetic properties improves, it is necessary to optimize the extrinsic magnetic properties of the alloy by the search for a suitable nanocrystalline state corresponding to the potential applications. The extrinsic properties of compounds Pr2Co7 have been little studied.Several methods were used for the development of nanomaterials. In our study, we have W arranty the technique of high energy milling followed by recrystallization controlled synthesis method which until then had not yet been used to synthesize this type of compound. At this scale, the grain size becomes of the order of magnitude of the exchange length. This method which is a non-equilibrium synthesis process, allows the production of nanostructured powders metastable from a mixture of elemental powders. This technique is particularly effective in the case of alloys based on rare earth (Pr, Sm ...) that are extremely volatile. Indeed, it avoids the liquid state since the reaction takes place below the melting temperature and led to reproducible and large quantities of homogeneous alloys. We used different characterization methods, namely: the X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) coupled with EDX analysis, the magneto / susceptometer Manics DSM-8

Les matériaux dopés avec des ions de terres rares continuent de faire l’objet de nombreuses recherches grâce à leur efficacité dans les domaines de la photonique et leurs applications dans les amplificateurs ou laser à fibre optique. Dans ce contexte, dans un premier temps, des massifs de silice (SiO2) dopée par des ions europium (Eu3+) ont été préparés par le processus Sol-Gel. Les propriétés de luminescence des ions de terres rares ont été étudiées dans ces massifs, ainsi que dans des massifs co-dopés avec du magnésium et traités thermiquement à 900°C. Les propriétés optiques des ions Eu3+ ont été étudiées aussi dans un environnement totalement différent : des nanoparticules de silice (NPSi). Ces différents matériaux ont été caractérisés par ICP-OES, MET, DRX, analyse de sorption et FT-IR. La première partie de ce manuscrit décrit comment la taille des NPSi, la quantité d’europium, le traitement thermique et la présence de magnésium modifient les propriétés de photoluminescence des ions Eu3+.Le second axe de ce travail de thèse concerne l'étude de la réactivité des ions fluorures dans le système ternaire SiO2-GeO2-LaF3. Plusieurs mélanges binaires et ternaires ont été élaborés et calciné à 1500°C puis étudiés par ATG, EDS-MEB, DRX et spectroscopie Raman. L'évaporation des ions F- a été mise en évidence via une réaction préférentielle avec le silicium (pour former SiF4) plutôt qu'avec le germanium. Dans le système ternaire, nous avons observé la formation de la phase La2Si2O7. / Rare earth ions doped materials continue to be the subject of several researches thanks to their efficiency in the fields of photonics and their applications in amplifiers or optical fiber lasers. In this context, firstly, silica bulks (SiO2) doped with europium ions (Eu3+) were prepared by Sol-Gel process. The luminescence properties of rare earth ions were studied in these bulks, as well as in bulks co-doped with magnesium and heat-treated at 900°C. The optical properties of Eu3+ ions have also been studied in a very different environment: silica nanoparticles (NPSi). These different materials were characterized by ICP-OES, TEM, XRD, sorption analysis and FT-IR. The first part of this manuscript describes how the size of the NPSi, the amount of europium, the heat treatment and the presence of magnesium modify the photoluminescence properties of Eu3+ ions.The second axis of this work concerns the study of the reactivity of fluoride ions in the ternary system SiO2-GeO2-LaF3. Several binary and ternary mixtures were prepared and heat-treated at 1500°C and then studied by TGA, EDS-SEM, XRD and Raman spectroscopy. The evaporation of F- ions has been evidenced by a preferential reaction with silicon (to form SiF4) rather than with germanium. In the ternary system, we observed the formation of La2Si2O7 phase.