Le verre présente des avantages environnementaux, et son utilisation structurelle est en pleine expansion. Cependant, son poids propre limite ses applications, et une utilisation inefficace des matériaux suscite des préoccupations liées aux émissions de CO₂. Cette recherche doctorale a développé et appliqué l’optimisation topologique (OT) pour concevoir des structures en verre légères en 2D et 3D. Un algorithme d’OT basé sur la méthode de densité a été proposé, intégrant des contraintes de déformation et de contrainte principale maximale (CPM), ainsi que la prise en compte du poids propre. L’algorithme a démontré sa robustesse dans les deux cas de conception. Des structures 2D optimisées, fabriquées par découpe au jet d’eau, ont été validées par des essais de flexion et de mesure des contraintes, montrant une amélioration des performances mécaniques et une réduction des contraintes locales de traction. Pour les structures 3D, la faisabilité a été démontrée par deux méthodes : le moulage et une nouvelle méthode par l’assemblage de couches découpées par jet d’eau. Les validations numériques et expérimentales ont confirmé que ces deux méthodes préservent l’intégrité structurelle et la fidélité géométrique. La méthode par l’assemblage de couches, combinée au collage par fusion du verre, offre une voie prometteuse pour la fabrication de composants en verre optimisés par l'OT. Dans l’ensemble, cette recherche établit une bases pour des structures en verre à haute performance et favorise des applications plus larges dans la construction durable.

Les matériaux quantiques corrélés présentent des transitions de phase complexes où interagissent fortement degrés électroniques et structuraux. L’excitation optique ultrarapide permet d’accéder à ces dynamiques fondamentales et de tester de nouveaux leviers de contrôle. Cette thèse explore deux axes principaux : l’effet de la pression et celui de la dimensionnalité. Dans V₂O₃, prototype d’isolant de Mott, des expériences pompe-sonde sous pression révèlent la génération de phonons cohérents dont fréquence et temps de vie évoluent fortement à travers la transition métal–isolant. Ces oscillations structurales constituent des traceurs sensibles de l’état électronique et confirment l’importance du couplage électron-réseau. Dans un second axe, des hétérostructures constituées de nanotubes de carbone (CNT) et de nitrure de bore (BNNT) ont été étudiées par spectroscopie ultrarapide et diffraction électronique femtoseconde. Les résultats mettent en évidence un transfert de charge inter-couche ultrarapide, suivi d’une relaxation structurale marquée par une expansion inter-tubes, révélant le rôle clé de la dimensionnalité et du couplage électron– phonon. Enfin, des travaux exploratoires sur EDO-TTF, un système organique présentant des transitions structurales complexes, complètent l’étude et ouvrent des perspectives sur la diversité des matériaux corrélés accessibles par ces approches. L’ensemble de ces résultats démontre que la combinaison de pression, de confinement dimensionnel et de sondes ultrarapides constitue une voie efficace pour comprendre et contrôler les dynamiques hors équilibre dans les matériaux corrélés.

On s’intéresse aux milieux poreux humides salés. Sous l’effet du séchage, le sel peut migrer à la surface, donnant une efflorescence ou une croûte saline. En pratique, ce phénomène peut altérer le support - béton ou pierre - et conduire à la dégradation d’éventuelles peintures ou fresques le recouvrant. Les études antérieures concernent principalement les situations où le milieu poreux est saturé ou bien alimenté en continu par de l’eau salé. Cette thèse s’intéresse au cas où le milieu est initialement insaturé et elle cherche à comprendre et à déterminer les principaux mécanismes de transfert de sel qui résultent de nombreux phénomènes couplés : capillarité, écoulement de liquide visqueux, transfert thermique, cristallisation. . . La saturation initiale apparaı̂t, par le biais d’expériences simples qui ont été réalisées par nos soins, un paramètre important déclenchant ou non la remontée du sel par le mouvement de la phase liquide. À cet égard, la présence de chemins liquides continus s’avère être également un élément indispensable pour caractériser cette remontée. L’étude numérique de ce phénomène a été conduite par l’utilisation des réseaux de pores (Pore Network Model) permettant de prendre en compte potentiellement tous les mécanismes cités ci-dessus. Un soin particulier a été apporté aux conditions initiales, définies par deux paramètres : la saturation globale et la répartition spatiale de l’eau salée. Deux régimes de séchage distincts sont observés : l’un conduisant à la cristallisation du sel sur place, l’autre conduisant à une migration vers la surface. Bien que nos simulations aient été limitées au cas isotherme, le logiciel mis au point a été conçu pour inclure facilement de nombreux autres phénomènes physiques.

Cette thèse explore la déformation de matériaux granulaires à l'aide d'un test biaxial appliqué sur des échantillons de micro-billes de verre. Une méthode d’interférométrie optique permet d’observer la déformation locale dans le matériau. Les expériences montrent que la déformation prend la forme d'évènements plastiques discrets qui sont distribués de façon homogène avant la rupture. Lors de la rupture, la déformation se concentre dans des bandes de cisaillement constituées de ces évènements, reproduisant des phénomènes similaires aux tremblements de terre, comme une distribution de taille en loi de puissance et la présence de répliques.

Le manque de compréhension sur la stabilité et les mécanismes de dissociation des polyplexes à base d'acides nucléiques, permettant la libération d'ADN, constitue actuellement une limitation majeure dans la délivrance de gènes à partir de vecteurs non viraux. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés dans ce domaine, l'efficacité de ces systèmes synthétiques reste bien inférieure à celle obtenue par les systèmes viraux, avec seulement 0,01 à 2% des acides nucléiques initialement chargés capables d'exercer leur fonction biologique au sein de la cellule. La poly(éthylènimine) (PEI) est l'un des polycations les plus utilisés pour la délivrance de gènes en raison de son efficacité de transfection élevée prouvée, ce qui en fait un modèle intéressant d'agent complexant de l'ADN pour ce travail. Les recherches effectuées et présentées dans cette thèse de doctorat visent à réduire le manque de connaissances sur la stabilité et la dissociation des polyplexes PEI/ADN en présence de milieux biologiques et de biomacromolécules anioniques, ainsi que sur l'impact des propriétés physicochimiques des polyplexes PEI/ADN sur le trafic intracellulaire et l'efficacité de transfection. Pour atteindre ces objectifs, la complexation d'un ADN plasmidique (peGFP-C3) a été réalisée avec quatre échantillons de PEI différents, ayant des masses molaires et des structures différents (ramifiés ou linéaires), et à différents rapports de charge. La stabilité des polyplexes PEI/peGFP-C3 a été étudiée en termes de la taille des particules et de la libération de l'ADN plasmidique dans des environnements ayant différentes forces ioniques, ainsi qu'en présence de macromolécules biologiques telles que les glycosaminoglycanes (GAG). Il a été constaté que la densité de charge élevée de l'héparine par rapport aux autres GAGs et polyanions, ainsi que les fortes interactions entre l'héparine et le PEI, déterminées à partir d'études thermodynamiques, sont les paramètres cruciaux qui déterminent la force de complexation avec le PEI et facilitent ensuite la libération d'ADN des polyplexes. Des mesures de dichroïsme circulaire ont révélé que le plasmide conserve sa conformation de type B après complexation avec le PEI et après libération ultérieure avec l'héparine. De plus, des corrélations entre les données d'expression des protéines rapporteuses transfectées dans des cellules HEK293T3 et les caractéristiques moléculaires du PEI, ainsi que les caractéristiques physicochimiques des polyplexes, ont permis de révéler que la PEI ramifiée avec une masse molaire de 25 kg/mol est celle qui favorise à la fois une internalisation cellulaire et une expression de GFP plus élevées sur les cellules HEK293T. À long terme, les résultats de ce travail permettront de proposer des lignes directrices pour aider à concevoir des vecteurs de gènes non viraux plus efficaces et moins cytotoxiques avec un grand potentiel pour des nouvelles applications thérapeutiques.

Cette thèse présente des spectres à haute résolution de l’éthylène entre 1.6 et 1.7 μm obtenus par spectroscopie par temps de déclin d’une cavité optique dans des expansions supersoniques. Ces conditions de refroidissement en jet conduisent à un régime fortement hors-équilibre, permettant de mesurer des spectres rotationnellement froids en affectant peu la température vibrationnelle initiale. Trois spectres en jet de l’éthylène ont d’abord été enregistrés depuis un réservoir à température ambiante, en utilisant une fente à ouverture réglable conçue au laboratoire. Ensuite, des jets hypersoniques ont été produits avec une tuyère de Laval en graphite couplée à une source haute enthalpie, portant la température de stagnation à 650 et 850 K, en conservant une basse température rotationnelle, pour détecter les bandes chaudes. Les spectres et ont été analysées en détail grâce aux prédictions TheoReTS et aux relations de combinaison de différence de l’état fondamental. Le modèle théorique a été amélioré itérativement pour augmenter le nombre d’identifications. A ce jour, 838 transitions ont été attribuées dans 23 bandes froides et 218 dans 5 bandes chaudes. L’analyse des spectres enregistrés avec les plus hautes températures rotationnelle et de stagnation devrait permettre d’attribuer davantage de transitions dans les bandes froides et chaudes de l’éthylène. Ce travail fournit des données spectroscopiques haute résolution pour l’éthylène à des températures pertinentes pour les atmosphères des Jupiters tièdes et chauds.

La connaissance des milieux astrophysiques provient principalement des spectres moléculaires capturés par les télescopes. Leur interprétation repose souvent sur les taux de collisions, qui font défaut pour de nombreuses molécules, limitant ainsi l’exploitation des observations. La chimie du soufre restant énigmatique, modéliser précisément les abondances des espèces soufrées peut apporter des pistes sur le problème du soufre manquant. Dans ce but, des taux de collisions pour CCS et ses isotopologues en collision avec He ont été calculés via une approche quantique, permettant de réviser leurs abondances dans le milieu interstellaire et d'apporter de nouvelles perspectives sur leur chimie. En parallèle, des taux de collisions pour CS en collision avec CO et H2O ont été calculés, permettant d'interpréter les spectres d'émission de CS dans les atmosphères cométaires à grandes et courtes distances héliocentriques. Une nouvelle approche statistique a été employée et s'est avérée prometteuse pour les futures études de systèmes collisionnels d'intérêt cométaire. L'interprétation de futures observations à l'aide des données calculées dans ce travail de thèse devrait offrir de nouvelles perspectives sur la chimie de ces molécules et, ainsi, sur le problème du soufre manquant.

De nombreux dispositifs spintroniques intègrent des couches magnétiques ultraminces où les effets d'interface deviennent prédominants. Ces couches peuvent présenter une rugosité importante à faible échelle (quelques nanomètres) qui peut avoir un impact significatif sur leurs propriétés magnétiques. Les méthodes classiques de simulations magnétiques (différences finies, éléments finis, atomistique) ne sont pas adaptées à la simulation de ces systèmes en raison de cette morphologie particulière. Nous proposons une approche multi-échelle basée sur le développement d'un code original de simulation magnétique. Cette approche consiste à modéliser le système rugueux comme un ensemble d'îlots, décrits comme des macrospins, reliés par des nanoconstrictions. Nous montrons que ces îlots sont couplés par une interaction d'échange de type Heisenberg pilotée par l'existence et la forme des nanoconstrictions reliant les îlots. Grâce à ce modèle, nous montrons et quantifions l'impact du caractère inhomogène de ces systèmes sur les propriétés magnétiques statiques et dynamiques. La fréquence de résonance ferromagnétique d'une couche de fer ultramince typique peut chuter d'un ordre de grandeur en raison de ces inhomogénéités. Notre étude a été réalisée à température non nulle avec une méthode Monte Carlo contraint pour déterminer les températures de transition ferromagnétique-paramagnétique et de réorientation de spin de couches ultraminces de fer pour différents paramètres morphologiques. La modélisation multi-échelle permet d'améliorer la description de certains dispositifs spintroniques en décrivant la morphologie de surface de façon réaliste.

Les capteurs optiques intégrés basés sur des dispositifs optiques guidés en matériaux poreux peuvent détecter efficacement et sélectivement des molécules polluantes présentes dans l’eau, l’air et l’environnement. La structure poreuse permet aux molécules à détecter de s’infiltrer dans les pores, ce qui permet une détection volumique. Cette caractéristique exalte la sensibilité d’un capteur optique intégré et offre aussi la possibilité de détecter une très faible quantité de molécules. Dans ce travail, deux matériaux transparents dans le moyen infrarouge (MIR) ont été étudiés pour le développement de guides d’onde optiques intégrés : le silicium poreux (SiP) et le germanium poreux (GeP). Le SiP est produit par anodisation électrochimique et peut être utilisé jusqu’à la longueur d’onde de 8 µm. Des guides d’onde plan et ridge en SiP ont été développés à partir de substrats de silicium de type P faiblement ou fortement dopés. L’effet de traitement thermique d’oxydation sur le guidage a été étudié. Un test de transduction sur la détection de CO₂ dans le MIR autour de la longueur d’onde de 4.3 µm a été réalisé. Le GeP, quant à lui, est produit par gravure électrochimique bipolaire et permet d’étendre la plage de détection jusqu’à la longueur d’onde de 14 µm. Ce matériau, utilisé pour le développement d’un capteur optique intégré, constitue ainsi un atout considérable étant donné que la plupart des molécules polluantes présentent une bande d’absorption dans le MIR. Des couches homogènes de faibles épaisseurs ont pu être réalisées. Un premier test d’élaboration d’un miroir de Bragg a aussi été effectué.

Les propriétés mécaniques du caoutchouc naturel (CN) dépendent fortement de la structure du réseau macromoléculaire (densité de chaînes actives et longueur des ponts) formée lors de la vulcanisation. Cependant, la relation entre structure et propriétés mécaniques demeure incomprise, en particulier en matière de comportement en fatigue. Dans cette étude, une large gamme de réseaux macromoléculaires, chargés et non-chargés de noir de carbone, a été définie. Chaque matériau est caractérisé en évaluant la densité de chaînes actives par la méthode de gonflement. Le comportement mécanique quasi-statique dépend de la densité de chaînes actives, des charges et de la longueur des ponts. Pour les CN chargés, l’effet Mullins est peu sensible aux variations de structure. Ce n’est pas le cas de leur réponse en fatigue. Pour les chargements relaxants, la réponse dépend de la densité de chaînes actives, de la longueur des ponts et du temps de vulcanisation. Pour les chargements non-relaxants, la densité de chaînes actives pilote à elle seule le renforcement de la durée de vie. L’analyse post mortem des faciès de rupture montre une corrélation entre les marqueurs de la cristallisation et le niveau de renforcement. Le lien entre formulation, densité de chaînes actives et propriétés en fatigue a ainsi pu être établi. Le rôle de la structure du réseau sur la cristallisation sous étirement, et par voie de conséquence sur la fatigue, a été clarifié.