Ce travail de thèse s’articule autour de la synthèse et de la caractérisation d’hydroxydes doubles lamellaires (HDLs) par une approche combinant spectroscopie vibrationnelle, RMN du solide et diffraction des rayons X. Les objectifs portent sur la description de la distribution cationique dans les feuillets ainsi que sur l’étude des propriétés structurales et dynamiques des espèces interfoliaires. Les investigations sont principalement menées pour des HDLs de type MgII/AlIII (ratio compris entre 2 et 4) avec une complexification progressive des espèces intercalées : de l’anion carbonate pour lequel les matériaux possèdent une affinité préférentielle, à d’autres anions inorganiques comme les halogénures, le perchlorate et le nitrate, pour finir sur des hybrides organo-minéraux formés par intercalation d’anions organiques/biomolécules (acides aminés et cyclodextrines). Les recherches effectuées ont permis de mettre en évidence un ordre cationique local au sein des feuillets, conservé après échange anionique. Par ailleurs, il a été possible de rationaliser les comportements propres à chaque espèce anionique dans l’espace interfoliaire, qui dépendent fortement de la densité de charge des feuillets, ainsi que du taux d’hydratation des composés. En particulier, la coexistence des anions carbonate et hydrogénocarbonate dans l’espace interfoliaire et leur dynamique d’échange avec le dioxyde de carbone atmosphérique sont révélées. D’autre part, une nouvelle sonde de dynamique interfoliaire par RMN 27Al est proposée. Enfin, l’étude pas à pas des HDLs intercalant tout d’abord l’oxalate puis des acides aminés a permis le transfert des connaissances obtenues pour les HDLs inorganiques aux hybrides organo-minéraux. Le manuscrit se termine sur une application des hybrides contenant des cyclodextrines pour le traitement d’eaux polluées par des composés organiques polycycliques / This thesis work is based on the synthesis and the characterization of layered double hydroxides (LDHs) by an approach combining vibrational spectroscopy, solid-state NMR and X-ray diffraction. The objectives include a description of the cations distribution in the layers, as well as a study of the structural and dynamic properties of the interlayer species. Investigations are mainly carried out for MgII/AlIII LDHs (ratio between 2 and 4) with an increased complexity of the intercalated species: from carbonate for which the materials have a preferential affinity, to other inorganic anions such as halides, perchlorate and nitrate, to finish with organo-mineral hybrids obtained by intercalation of organic anions/biomolecules (amino acids and cyclodextrins).The research carried out highlighted a local cationic order in the layers, preserved after anionic exchange. Furthermore, it has been possible to rationalize the behaviour of each anion in the interlayer space, which strongly depends on the layers charge density, as well as on the hydration state of the compounds. In particular, the coexistence between carbonate and hydrogenocarbonate anions in the interlayer space and their dynamic exchange with atmospheric carbon dioxide are revealed. On the other hand, a new interlayer dynamics probe by 27Al NMR is proposed. Finally, the step-by-step study of LDHs, first intercalating oxalate and then amino acids, allowed the transfer of the knowledge obtained for inorganic LDHs to organo-mineral hybrids. The manuscript ends with an application of cyclodextrins-containing hybrids for the treatment of water polluted with polycyclic organic compounds

Le mécanisme de régulation des enzymes à travers les changements conformationnels est un processus clé dans le contrôle du fonctionnement cellulaire. Cette thèse est focalisée sur l’étude de trois complexes protéiques qui reflètent comment l’activité de protéines peut être est régulée par différents effecteurs. Pour cela, différentes spectroscopies ont étaient utilisées pour suivre les changements conformationnels des structures secondaire et tertiaire d’une protéine. La première protéine d’intérêt est PDZ1 de MAGI-1, impliquées dans la signalisation cellulaire. Ce domaine d’échafaudage est connu d’interagir avec la protéine E6 de HPV16. Il était démontré que les différents états conformationnels et leurs affinités vis-à-vis le C-terminal de la protéine virale sont régulées par la dynamique des liaisons hydrogène formées par un réseau qui connecte des acides aminés localisés dans les trois domaines de la protéine. Ces résultats suggère que les différences d’affinités sont directement corrélées aux liaisons hydrogène, ce qui mène à conclure que la pathogénicité et la prévalence d’un virus particulier comme le HPV16 sont liées à son habilitée à former un réseau de liaison hydrogène très solide comparé au substrat naturel. La deuxième protéine d’intérêt est une protéine modèle qui représente un petit prototype du changement conformationnel observé dans des protéines plus complexes. Il s’agit d’un peptide court capable de coordonner le cuivre. Ce n’est autre que le peptide β-amyloïde, connu d’être impliqué dans la maladie d’Alzheimer. L’objectif ici est de décrire l’effet des ligands histidine lors de la réduction du cuivre, qui est une réaction électrochimique critique pour le développement d’Alzheimer. La spectroscopie IRTF différentielle a montré deux sphères de coordination pour le Cu(I) et le Cu(II). Les majeurs changements spectraux sont dominés par les vibrations de l’imidazole des différentes histidines (His6, His13 et His14) ainsi que la contribution des résidus Asp1 et Tyr10. Les modifications de la géométrie de coordination peuvent être la cause de la dépendance-pH de l’agrégation du peptide observée en présence du Cu(I). Pour cela, il est possible de suggérer que la formation des fibrilles observées chez les patients d’Alzheimer n’est pas seulement stimulée par la présence du cuivre même mais elle est fortement affectée par ses réactions rédox.La dernière protéine d’intérêt est une métalloprotéine, la NADH:ubiquinone oxidoréductase (complexe I), qui joue un rôle majeur dans la bioénergétique cellulaire. Cette protéine contient plusieurs centres Fe-S et une flavine et son activité est régulée par l’énergie produite par la liaison avec un substrat ainsi que le transfert d’électrons de ces cofacteurs. Les vibrations métal-ligands de ces cofacteurs à l’état oxydé et à l’état réduit sont décrites ici. En utilisant l’électrochimie couplée aux spectroscopies IRTF, Raman de résonance et de fluorescence, les investigations sur le complexe I ont conduit à conclure que les propriétés des centres métalliques sont largement influencées par l’environnement proche. De plus, les changements conformationnels de la protéine ont un effet considérable sur les propriétés rédox et par la même, sur le bon fonctionnement de la protéine. Par ailleurs, la mutagenèse dirigée était utilisée pour étudier les propriétés des centres N1a et N2. A part des cofacteurs métalliques, cette étude a montré l’existence d’un nouveau cofacteur, une quinone localisée proche du domaine membranaire.[...] / The mechanism of enzyme regulation through conformational changes is a key pattern in governing cell behavior. In this thesis the focus is on three protein complexes that reflect how protein activity can be regulated by different effectors. Different spectroscopic techniques, like IR and Raman spectroscopy, were used is order to follow the secondary and tertiary conformational changes in protein structure to identify their roles. The first protein of interest was PDZ1 from MAGI-1, involved in cellular signaling. This scaffold domain is known to interact with the E6 protein from HPV16. It was demonstrated that the different conformational states and their affinities to the C-terminus of the viral protein is regulated by the dynamics of the hydrogen bonding network formed by the connection of specific amino acids in three regions of the protein. Study of mutations around the C-terminal area of the protein and the βC strand were performed; demonstrating that both regions are crucial for assembly of the hydrogen bonding network to stabilize the substrate binding. These results leads to conclude that the pathogenicity and prevalence of a particular virus like HPV16 is in its ability to build a stronger hydrogen bonding network in comparison to the natural binder. The allosteric model and the “shift population” model agree that, upon binding, conformational changes distant from a carboxylate binding group might be the key to understanding the binding dynamics between the PDZ domains and the viral proteins.The second protein of interest was a model that constitutes a small scale prototype of the conformational changes observed in more complex proteins; it is a short Copper-binding peptide, the amyloid-beta peptide, known to beinvolved in Alzheimer’s disease. The objective with this model was to describe the effect of histidine ligands in the metal centers upon Copper (Cu) reduction, a key electrochemical reaction in the development of Alzheimer’s. FTIR difference spectroscopy showed two different spheres of coordination for Cu(II) and Cu(I). The major changes in the structure are dominated by the contribution of the imidazole ring of His residues (His6, His13 and His14), in addition to Asp1 and Tyr10 residues. Changes in the coordination geometry could be key to the pH-dependency of the aggregation observed in the presence of Cu(I). Accordingly, it can be suggested that the formation of the fibrils observed in Alzheimer’s patients is not only triggered by the presence of Cu but it is strongly affected by its redox state. The last system of interest was a metalloprotein, the NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I), which plays a key role in the cellular bioenergetics. This protein bears several Fe-S clusters and one flavin and its activity is regulated by the energy produced by a bound substrate and the electron transfer of its cofactors. The metal ligand-vibrations of the cofactors are described in their oxidized and reduced states. Using electrochemistry coupled to FTIR, Resonance Raman and Fluorescence spectroscopies, the investigation of complex I led to the conclusion that the properties of the metal centers are dictated, to a large extent, by their surrounding environment. [...]

L'objectif de ce travail consiste à étudier le mécanisme de photo-isomérisation d'une série de commutateurs moléculaires biomimétiques (IP) inspirés de la Rhodopsine (Rho), par spectroscopie d'absorption transitoire. Ce travail comprend également le développement puis l'utilisation d'une expérience d'absorption transitoire avec des impulsions sub-8 fs dédiée à la mesure des cohérences vibrationnelles concomitantes à la photoréactivité des IPs. [...] La description détaillée des deux montages de type pompe-sonde mis en œuvre pour ce travail, ainsi que le détail des analyses et corrections de données expérimentales effectuée ont été décrits. Les deux montages utilisés ont été alimenté par une même source, un laser Ti: saphir amplifié délivrant des impulsions à 800nm d'une durée de 40 fs. le premier est un montage d'absorption transitoire conventionnel permettant l'acquisition des spectres transitoires sur une large gamme de spectrale à l'aide d'un continuum de lumière blanche, avec une résolution de 70fs. Le second montage pompe-sonde dédié à la mesure de cohérence vibrationnelle a été développé au cours de la thèse. Dans ce dernier les impulsions pompes à 800nm sont comprimés d'une durée de 8fs, à l'aide d'un compresseur composé de fibre creuse contenant du gaz (Néon). Une conversion de fréquence permet de générer une impulsion centrée à 400 nm de largeur spectrale correspondant `a une durée de 8 fs. Un balayage rapide du délai entre la pompe et la sonde est mis en œuvre pour supprimer de manière efficace l’effet dominant du bruit à basse fréquence de l’intensité de la pompe sur les signaux d’absorption transitoire. [...] / The research presented durind this Phd work address one of the paradigms of atomic/molecular physics of modern era, namely the Born-Oppenheimer approximation. The chemical processes on the atomics level has been reliying on the ability to separate fast electron motion from that of heavy nuclei. We focus in the so called conical intersection (CI), whereby molecular isomerization proceed over timescale clearly violating this paradigmatic approximation. Arguably, the most spectacular example of such process is the primary photochemical event in vision. The key aspect of these ultrafast, and often remarkably efficient, transitions is the conversion of optical energy into mechanical energy through coherent channels, that is with negligible loss of energy due to the random dissipation. This work in many aspects expands on the scope and offers a very challenging, et attractive, endeavour into vibrational coherence of complex molecule in solution. Molecular complexity was primarely motivated by wide applicablity of research on synthetic molecules that mimic the photoreaction of Rhodopsin (Rho), to date the fastest and most efficient optomechanical photoswitch. To this end, we have developed and used a state-of-art ultrafast time domain vibrational coherence spectrometer (VCS), allowing sub-10 fs resolution, hence vibration windows up to 3000 cm-1. Such combinaison unlocks to new ways to control over chemical reactions, whereby mechanistic forces precede rather than outpley thermal fluctuations. This concept transcends chemistry, and as a matter pf example, it has only begun to be exploited in material science. [...]

Les télescopes terrestres et spatiaux recueillent une énorme quantité d'informations dans le domaine infrarouge en provenance d'objets astrophysiques ''chauds'' (500-3000 K) tels que les atmosphères d'exoplanètes (Jupiters chauds), de naines brunes et les enveloppes circumstellaires d'étoiles AGBs. Cette thèse s'inscrit dans une approche d'astrophysique de laboratoire s'attachant à reproduire in situ certains aspects des conditions extrêmes rencontrées au sein de ce type d'environnements afin notamment de produire des données haute température de molécules clefs. Le nouveau dispositif mis en place à Rennes couple une Source Haute Enthalpie à un spectromètre par temps de déclin d'une cavité optique (CRDS). Le gaz étudié, chauffé dans le réservoir à une température avoisinant 2000 K, est expulsé dans une chambre basse pression au travers d'un injecteur circulaire. Le jet libre hypersonique ainsi formé est sondé en tout point et avec une très haute sensibilité. La simulation de nos écoulements stationnaires (CFD) associée à la modélisation du spectromètre a abouti à des spectres synthétiques en très bon accord avec les spectres expérimentaux. Ces données numériques ont été utilisées pour expliquer l'origine des profils de raie atypiques et plus généralement pour comprendre la structure des jets hypersoniques axisymétriques. Le cœur isentropique de ces écoulements est caractérisé par de fortes conditions hors équilibre. Une température de vibration très élevée (1350 K) et une température de rotation très basse (10 K) ont été obtenues à partir d’un jet de CO et d’argon. Ce découplage des degrés de liberté internes permet de simplifier la structure rotationnelle des spectres enregistrés et facilite l’étude des états vibrationnels excités des molécules en révélant la structure des bandes chaudes, absentes des bases de données spectroscopiques pour la plupart des molécules polyatomiques. Une approche complémentaire consiste à sonder la couche de choc produite par l'ajout d'un obstacle sur le trajet de l'écoulement. La température rotationnelle est brutalement élevée donnant ainsi accès aux transitions rotationnelles de hautes valeurs du nombre quantique J. Ces deux méthodes ont été appliquées avec succès au méthane qui joue un rôle majeur dans de nombreux environnements astrophysiques chauds. Enfin, outre la production de données spectroscopiques, ce dispositif expérimental a permis de mettre en évidence la relaxation des degrés de liberté internes du CO dans différents gaz porteurs (He et Ar) en suivant l’évolution des températures de rotation et vibration le long de l'écoulement hypersonique, aussi bien dans le cœur isentropique qu'au sein des couches limites. Ces températures sont comparées aux températures d'excitation obtenues par des méthodes ab initio afin de valider des calculs de taux de collision. Les données obtenues alimenteront à terme des bases de données, matière première au développement de codes de transfert radiatif permettant d'interpréter les observations en provenance des milieux astrophysiques ''chauds''. / A huge quantity of infrared spectra is collected by terrestrial and space telescopes from cool astrophysical objects (500-3000 K) like exoplanet (hot Jupiter) and brown dwarf atmospheres or circumstellar envelop of AGB stars. The main purpose of this thesis connected to experimental astrophysics is to provide high temperature data of key molecules by reproducing in the laboratory some aspects of such environments. A new setup built in Rennes couples a High Enthalpy Source to a highly sensitive Cavity Ring-Down Spectrometer. The gas studied, heated in the reservoir up to 2000 K, is expanded in a vacuum chamber through a circular nozzle and the resulting hypersonic jet can be probed at any location. Computational flow dynamics (CFD) calculations associated to a modeling of the infrared absorption lead to synthetic lines which are in very good agreement with the observed spectra. These numerical data were used to attribute the unusual double peak line shapes to the particular flow structure of axisymmetric hypersonic jets. Strong out-of-equilibrium conditions were evidenced in the isentropic core of the expansion. High vibrational temperature (1350 K) and rotational temperature lower than 10 K were recorded inside a jet of CO seeded in Ar. This degrees-of-freedom decoupling greatly simplifies the rotational structure of the recorded infrared spectra and unveils the presence of hot bands stemming from highly excited vibrational states which are significantly populated at high temperature. Our approach is therefore well suited for the study of rotationally cold hot bands of polyatomic molecules which are virtually missing in spectroscopic databases. A complementary approach consists in probing the shock layer formed upstream of an obstacle set perpendicularly to the hypersonic flow axis. Rotational temperature raises abruptly downstream the shock, revealing transitions associated with high J quantum numbers. These two methods were successfully applied to methane which plays an important role in numerous astrophysical environments. In addition to the acquisition of infrared spectroscopic data, the relaxation of internal degrees-of-freedom of CO seeded in different carrier gases (Ar and He) was studied by following the evolution of rotational and vibrational temperatures along the flow, in the isentropic core as well as in the peripheral viscous layers. These temperatures were compared to excitation temperatures calculated by an ab initio method in order to validate collision rates. These data will feed databases needed for the development of radiative transfer codes with a view to a better modeling of spectra observed from "hot" astrophysical environments.

Nous avons étudié la spectroscopie et la dynamique d’excitation d’un système hybride constitué de molécules et de nanoparticules (NP) sur couche isolante, qui est aussi un catalyseur modèle (NP de Pd épitaxiées sur une couche mince de MgO sur Ag(100)). Nous avons mis en évidence le rôle de la forme et de la taille des NP ainsi que de l’épaisseur de la couche d’oxyde sur l’interaction entre NP et molécule de CO, par des expériences fondamentales capables de différentier les sites d’adsorption (spectroscopie laser vibrationnelle par somme de fréquences (SFG)). De plus, des expériences pompe-sonde nous ont permis de sonder la dynamique d’interaction des électrons excités dans les NP avec les molécules. Une analyse combinée par LEED et STM nous a permis de déterminer les meilleures conditions de croissance du film de MgO. Par la suite des NP de palladium ont été épitaxiées sur ce film avec une densité et une distribution de taille satisfaisantes. Les spectres SFG montre une forte dépendance de la fréquence de vibration avec la taille des NP et le taux de couverture en CO. Le modèle d’interaction dipolaire que nous avons développé met en évidence le fait que le déplacement de la fréquence de CO avec le taux de couverture et la taille des NP a deux causes : l’interaction dipolaire entre molécules d’une part, qui est modélisable, et d’autre part la variation de la liaison chimique molécule-substrat quand la couverture en adsorbats varie. Le modèle nous a permis de montrer que la polarisabilité vibrationnelle de CO varie d’environ 40 % dans notre gamme de taille de nanoparticule. La diminution de la force de la liaison chimique se traduit par la décroissance de la fréquence à couverture nulle avec la taille des NP. Ces variations vont dans le sens de la littérature : quand la taille des NP diminue, la densité d’états électroniques diminue, les liaisons Pd-Pd se contractent et l’énergie d’adsorption des molécules de CO diminue. L’excitation des électrons des NP et du substrat d’Ag se manifeste par une réponse spectroscopique et par la photodésorption de CO. On observe le découplage de l’excitation produite dans l’argent quand l’épaisseur de la couche d’oxyde dépasse quelques plans atomiques. On observe clairement un effet de taille sur l’efficacité de l’excitation électronique des NP sur les molécules de CO, qui diminue avec la taille des NP. Ceci montre que le confinement des électrons dans la particule a davantage pour effet d’augmenter la vitesse de relaxation électronique vers les phonons, que d’exciter plus efficacement les molécules adsorbées. Un modèle optique de double couche (NP/oxyde) sur un substrat d’argent et un modèle à trois températures (électrons, phonons et adsorbats) ont été développés dans le but d’interpréter quantitativement ces observations. Le modèle optique fait apparaître des variations très fortes de l’absorption par la couche de nanoparticules avec son épaisseur équivalente : les variations du coefficient de réflexion et l’effet des interférences multiples ne sont pas négligeables. Les résultats du modèle à trois températures montrent que la température électronique d’une couche continue est deux fois plus importante que celle des NP de taille finie. / We have studied the spectroscopy and excitation dynamics of a hybrid system consisting of molecules and nanoparticles (NPs) on insulating layer, which is also a model catalyst (Pd NPs grown on a thin layer of MgO on Ag(100)). We have highlighted the role of the shape and the NPs size as well as the thickness of the oxide layer in the interaction between NPs and CO molecules, by fundamental experiments allowing to differentiate the adsorption sites (Sum Frequency Generation (SFG)). In addition, pump-probe experiments allowed us to probe the dynamics of interaction between the photoexcited electrons bath in the NPs and the molecules. A combined study by LEED and STM allowed us to determine the growing conditions of MgO film. Subsequently palladium NPs were grown on this film with satisfying density and distribution size. The SFG spectra show a strong dependence of the vibrational frequency with the NPs size and the CO coverage. A dipole interaction model was developed showing that the CO frequency shift with the coverage and the NPs size has two causes: the dipolar interaction between molecules on the one hand, which is modeled, and on the other hand the variation of the molecule-substrate chemical bond when the adsorbate coverage varies. The model has allowed us to show that the vibrational polarizability of CO changes by 40 % in our range of NPs size. The decrease in the strength of the chemical bond results in the decrease of the frequency at zero coverage when the NPs size decreases. These variations are consistent with the literature: upon a decrease in the particle size, the electronic DOS decreases, the Pd-Pd bonds contract and the adsorption energy of CO molecules decreases. The electronic excitation of the NPs and the silver substrate manifested by the spectroscopic response and the CO photodesorption. We observed the decoupling of the electronic excitation produced in silver when the thickness of the oxide layer exceeds a few atomic planes. There is a clear size effect on the efficiency of electronic excitation of NPs on the CO molecules, which decreases as the NPs size decreases. This shows that the effect of electrons confinement in the particle rather consists in an increase in the relaxation rate of electrons to phonons, than in a more efficient excitation of the adsorbed molecules. A double-layer optical model (NP/oxide) on a silver substrate and a three-temperature model (electrons, phonons and adsorbates) have been developed to quantitatively interpret these observations. The optical model results show a very strong variation of the absorption intensity by the layer with its equivalent thickness: variation of the reflection and the effect of multiple interference are not negligible. The three temperatures model results show that the electronic temperature of a continuous layer is two times more important than in the case of finite size NPs.

La liaison hydrogène est une interaction stabilisante très importante, qui est présente dans de nombreux systèmes moléculaires, des petits clusters d'eau à la molécule d'ADN. L'étude du cas de la liaison hydrogène intramoléculaire (LHI) est d'un intérêt particulier en raison du rôle important de ce type d'interaction dans les processus de transfert d'hydrogène interne, dans la photodynamique et la conformation structurelle. La famille des molécules β-dicarbonyles est un système modèle de LHI unique car il possède relativement peu de degrés de liberté et tous les processus mentionnés précédemment sont clairement présents. L'objectif principal de ce travail est d'étudier le lien entre structure isotopique et électronique des molécules β-dicarbonyles, force de la liaison hydrogène intramoléculaire, sélectivité sur le processus de photoisomérisation et couplage du transfert d'hydrogène avec d'autres mouvements de grande amplitude. Les expériences sont complétées par des calculs de chimie quantique. Quatre molécules de la famille des β-dicétones (acétylacétone doublement deutérée, 3-chloroacétylacétone, hexafluoroacétylacétone et trifluoroacétylacétone) et une β-dialdéhyde (2-chloromalonaldéhyde) sont étudiées dans des environnements inertes à basse température par spectroscopie électronique et vibrationnelle (FT- IR et Raman). Le néon et le para hydrogène ont été utilisés principalement comme matrices hôtes permettant une analyse spectroscopique claire. Les β-dicarbonyles se présentent sous deux formes tautomères: le céto et l'énol, mais ce dernier prédomine en grande partie en phase gazeuse, et par conséquent, dans les échantillons déposés étudiés. Huit différents conformères énoliques peuvent exister, mais celui avec LHI (énol chélaté) est le plus stable. Ces conformères peuvent être divisés en quatre paires dans lesquelles chaque couple partage la même structure squelettique et ne diffère que dans la conformation hydroxyle. Le conformère énolique fermé a toujours été trouvé comme l´espèce la plus stable dans nos expériences. L'influence de l'environnement et de la force de la liaison hydrogène sur des variables spectroscopiques comme la largeur de bande, l'intensité et le déplacement spectral sont discutées. On a également trouvé des preuves expérimentales du processus de conversion de spin nucléaire dans la forme énolique fermée de l'acétylacétone doublement deutérée en matrice de para-hydrogène. Différents conformères énoliques ouverts ont été produits dans chaque système après excitation par laser UV. Les conformères énoliques ouverts présentent des ordres d'énergie différents pour chaque analogue halogéné en raison de l'existence d'interactions non covalentes spécifiques, comme le révèlent les calculs théoriques. Néanmoins, dans tous les cas, les conformères produits sont les conformères les plus stables de leurs paires énoliques. Ceci est expliqué par un processus régit par passage tunnel de l'hydrogène hydroxylique, comme observé expérimentalement dans les isotopologues deutérés. A partir des résultats expérimentaux, nous avons proposé un mécanisme général pour expliquer la photo-isomérisation dans ces systèmes. Par ailleurs, la technique des gouttelettes d'hélium a également été utilisée pour avoir accès à des informations spectroscopiques précieuses (spectres ro-vibrationnels) sur des complexes fortement ou faiblement liés en milieu inerte. Le rôle de l'eau comme espèce donneur ou accepteur de protons dans un complexe peut facilement être modifié par un déséquilibre des forces d'interaction en jeu. Les résultats préliminaires sur le système à liaison hydrogène intermoléculaire propyne-eau dans des gouttelettes d'hélium sont présentés. / The hydrogen bond interaction is an important stabilizing interaction present in many kinds of molecular systems, from small water clusters to the big DNA molecule. The study of the specific case of the intramolecular hydrogen bond (IHB) is of special interest because of the important role of this kind of interaction in internal hydrogen transfer processes, photodynamic behavior and structural conformation. The β-dicarbonyl family of molecules is a unique model system with relatively small amount of degrees of freedom and where all the processes just mentioned are clearly present. The main aim of this work is to study the link between the isotopic and electronic structure of β-dicarbonyl molecules (model IHB system) with the strength of intramolecular hydrogen bond, selectivity on the photoisomerization process and coupling of hydrogen transfer with other large amplitude motions. Experiments are supported with quantum chemical calculations. Four molecules from the β-diketone family (double deuterated acetylacetone, 3-chloroacetylacetone, hexafluoroacetylacetone and trifluoroacetylacetone) and one from the β-dialdehyde (2-chloromalonaldehyde) are studied in low temperature inert environments by means of electronic and vibrational spectroscopy (FT-IR and Raman). Neon and para-hydrogen were mainly used as host matrices allowing clear spectroscopic analysis. The β-dicarbonyl molecules can be present in two tautomeric forms: keto and enol, but the latter largely predominates in the gas phase, and as a consequence, in the deposited isolated samples. Eight different enol conformers can exist, but the one with intramolecular hydrogen bond (chelated enol) is the most stable. The enol conformers can be divided in four pairs in which each couple shares the same skeletal structure and differs only in the hydroxyl conformation.In the deposited sample of all the molecules under study, the closed enolic conformer was found as the most stable species. The influence of the environment and the hydrogen bond strength on spectroscopic variables like bandwidth, intensity and frequency position are discussed. Experimental evidence of Nuclear Spin Conversion process in para-hydrogen matrix of the closed enol form of double deuterated acetylacetone was also found. Different open enol conformers were produced in each system after UV laser excitation. The open enol conformers show different energy ordering for each halogenated analog because of the existence of specific non covalent interactions, as revealed by theoretical calculations. Nevertheless, in all cases, the produced conformers are the most stable conformers of their enolic pairs. This is explained by a tunneling driven process in the hydroxyl hydrogen, as observed experimentally in deuterated isotopologues. From the experimental results we proposed a general mechanism to explain the photoisomerization in these systems. On the other hand, helium droplets technique was also used to allow recording valuable spectroscopic information (ro-vibrational spectrum) about strong and weak complexes in inert media. The role of water as donor or acceptor proton species in a complex can easily change by an imbalance of the interaction forces at play. Preliminary results about the intermolecular hydrogen bonded system propyne-water in helium droplets are presented.

Les possibles effets bénéfiques de perturbations déterministes ou stochastiques sur la réponse de différents systèmes non linéaires sont étudiés. À cet effet, des études numériques et expérimentales sont conjointement proposées sur deux structures distinctes : un oscillateur électronique de type FitzHugh-Nagumo et une ligne électrique constituée de 45 de ces oscillateurs couplés résistivement. La caractérisation de l’oscillateur élémentaire est d’abord réalisée en régime déterministe. En présence d’une excitation bichromatique, il est notamment montré que lorsque la composante de fréquence la plus faible est subliminale, sa détection en sortie du système peut être maximisée pour une amplitude particulière de la seconde composante, qui agit alors comme une perturbation haute fréquence. Par la suite, il est établi que ce phénomène de résonance vibrationnelle peut être amélioré pour quelques fréquences spécifiques de cette perturbation déterministe. Par ailleurs, en introduisant une composante stochastique dans l’excitation, l’attention est ensuite portée sur le phénomène de résonance stochastique fantôme. Celui-ci se distingue par le fait que la fréquence d’intérêt en sortie du système ne fait désormais plus partie du signal excitateur. La dernière partie est consacrée à l’étude de la structure couplée. Il est montré que la propagation d’une information à travers les cellules de la ligne peut être améliorée via les phénomènes de propagation vibrationnelle et de propagation assistée par le bruit. Ceux-ci se produisent sous certaines conditions, lorsque le système est respectivement sous l’influence d’une perturbation déterministe haute fréquence ou d’une source de bruit. / This manuscript presents research aiming to show possible positive effects of deterministic and stochastic perturbations on the responses of different nonlinear systems. To that end, both numerical and experimental studies were carried out on two kinds of structures : an elementary electronic FitzHugh-Nagumo oscillator and an electrical line developed by resistively coupling 45 elementary cells. In the first section, the elementary cell characterization was undertaken in a deterministic regime. In the presence of a bichromatic stimulus, it is shown that when the low frequency component is subthreshold, its detection can be maximized for an optimal magnitude of the second component thanks to vibrational resonance. Next, it is established that this resonance may be enhanced for specific frequencies of the second component ; this phenomenon is referred to as frequency resonance. Furthermore, white and colored noise sources effects on vibrational resonance are reported. Then, for any other bichromatic excitation configuration, attention was focused on ghost stochastic resonance. Contrary to the other phenomena introduced in this manuscript, this one differs in the fact that the frequency of interest in the system output is here not applied on the input. Finally, the last part of the manuscript is devoted to the study of the coupled structure. It is shown that information propagation through line cells can be enhanced by vibrational propagation and noise assisted propagation phenomena. These nonlinear effects respectively occur when the system is under a high frequency deterministic perturbation or a random noise source.

Nous avons mis en place un dispositif permettant l’acquisition d'échos de photons stimulés infrarouges à l’échelle femtoseconde. Le but est d'examiner la dynamique vibrationnelle aux temps courts de métaux carbonyles (W(CO)₆ and Fe(CO)₅) piégés en matrice cryogénique (4-50 K). Cet environnement solide, issu de la condensation d'un mélange gazeux contenant une impureté et un gaz inerte (N₂, CH₄, Ar, etc.), est propice à l’étude de systèmes dans leur état fondamental. L’excitation d’une vibration moléculaire s’atténue toujours temporellement, ce qui correspond dans le domaine spectral à un élargissement des raies d’absorption. L’étude de la dynamique vibrationnelle vise à examiner les causes physiques à l’origine de cet élargissement spectral. Typiquement, elles sont de trois sortes : phénomènes intramoléculaires, interactions entre molécules piégées et interactions entre la molécule piégée et l’environnement. Les échos de photons permettent de distinguer les contributions homogènes et inhomogènes de l’élargissement spectral et de caractériser les processus de déphasage, de relaxation des populations et de diffusion spectrale. Parmi les résultats obtenus, nous avons mis en évidence l'influence des phonons spécifiques aux matrices moléculaires (ex : libration de N₂ et rotation de CH₄ ) sur le déphasage vibrationnel ainsi que l’influence de la transition de phase du méthane solide à 20 K sur la dynamique vibrationnelle. Nous avons également montré que la dynamique vibrationnelle était dépendante du site cristallographique dans lequel est piégée la molécule. Enfin, en excitant plusieurs modes de vibration simultanément, nous avons pu examiner les couplages intramoléculaires. / We built an experimental set-up in order to generate infrared stimulated photon echoes at the femtosecond timescale. The purpose is to examine the short time vibrational dynamics of metal carbonyls (W(CO)₆ and Fe(CO)₅) trapped in cryogenic matrices (4-50 K). This environment, resulting from the condensation of a gas mixture containing the impurity and an inert gas (N₂, CH₄, Ar, etc.), is well suited to study systems in their ground state. An excited molecular vibration is always damped in the time domain. It corresponds in the frequency domain to a broadening of the absorption line. The study of the vibrational dynamics aims at examining the physical causes of this spectral broadening. Typically, there are three kinds of causes: intramolecular phenomena, interactions between trapped molecules and interactions between the impurity and the environment. Photon echoes allow distinguishing between the homogeneous and the inhomogeneous contributions of the spectral broadening and characterizing dephasing process, population relaxation and spectral diffusion. Among the obtained results, we highlighted the influence of phonons that are specific to molecular matrices (ex: N₂ libration and CH₄ rotation) on the vibrational dephasing. Moreover, we observed the influence of the phase transition of solid methane at 20 K on the vibrational dynamics. We also showed that the vibrational dynamics depends on the site in which the molecule is trapped. Finally, when exciting several vibrational modes, we are also able to study intramolecular couplings.

La génération de second harmonique induite par des traitements de polarisation dans des matériaux vitreux pourrait permettre le développement de nouveaux systèmes électro-optiques compatible avec les fibres optiques de silice. Dans ce contexte, cette thèse présente les résultats obtenus par polarisation thermique des verres ((1-x) 0.95 NaPO3 + 0.05Na2B4O7)+ x Nb2O5 (x ≤ 0.5). Une non linéarité optique d'ordre deux supérieure à 4pm/V a pu être induite à la fois dans le verre massif et le verre déposé sous forme de couche mince. L'analyse du verre avant et après polarisation et notamment de la structure locale du réseau vitreux permet une meilleure approche des processus mis en jeu lors du traitement dans des verres à aussi forte concentration en sodium et donc aussi conducteurs.

Ce travail s'insère, non seulement, dans la compréhension de la relation entre la résonance des terres rares et l'indice non linéaire, mais aussi, dans la recherche de nouveaux matériaux dopés terres rares pour la commutation optique. L'introduction d'oxyde d'erbium dans des verres tellurites et borophosphates de niobium, présentant intrinsèquement une non linéarité optique de 3ème ordre élevée, a été étudiée. Il a été montré qu'il est possible de contrôler le gain et la non linéarité de matériaux dopés grâce à la corrélation établie entre l'analyse structurale et l'étude des propriétés spectroscopiques, de gain et de non linéarité qui dépendent des probabilités de transition 4f –4f. L'ensemble des résultats permet de mieux comprendre et prédire la variation de l'indice non linéaire d'un matériau amplificateur.