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 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.

Cette thèse vise à approfondir notre compréhension du processus de coagulation des deux catégories de taille de particules de caoutchouc issues du latex d’Hevea brasiliensis et à établir un lien avec les propriétés mécaniques du caoutchouc final. L’originalité réside dans une approche multi-échelle et pluridisciplinaire, englobant l’analyse des particules natives et de leur auto-organisation à l’état liquide, ainsi que les propriétés mécaniques des films secs sous forme de feuilles de caoutchouc (mini ADS). L’étude a été menée sur deux tailles de particules provenant des clones, RRIM600 et PB235. La première partie aux interfaces liquide/air est une nouvelle approche utilisant une cuve de Langmuir, avec un suivi des cinétiques d’adsorption des particules à l’interface à l’aide de techniques complémentaires telles que l’ellipsométrie, la tensiométrie, la rhéologie et la microscopie à angle de Brewster. Les premières étapes de la coagulation et l’organisation des composants des particules ont été observées par microscopie à force atomique. La seconde partie a permis de relier ces organisations aux propriétés mécaniques de feuilles de caoutchouc sec à travers des essais de traction uni axiale. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives en reliant les processus moléculaires aux propriétés macroscopiques du caoutchouc naturel, élargissant ainsi les voies de recherche dans ce domaine.

Ces dernières années, avec le développement du laser ultrarapide et intense, des opportunités sans précédent sont apparues pour modifier les propriétés macroscopiques des matériaux de manière efficace et ultra-rapide. Les techniques d’analyse avancées, en particulier la diffraction des rayons X en temps résolue, permettent de sonder la structure des matériaux photo-excités avec les résolutions temporelles adéquates, des échelles de temps sous-ps a la microseconde et au-delà. Cette étude se focalise principalement sur les systèmes électroniques corrélés, les composes de T i 3 O 5 et V 2 O 3 . Il a été démontré récemment que la transformation macroscopique dans des matériaux photo-excitables a changement de volume suit l’onde de déformation. Ici, nous avons cherché à comprendre ce mécanisme d’ondes de déformations dans les systèmes électroniques corrélés en étudiant deux systèmes présentant des changements de volume de différents types au cours de la transition de phase. La transition de phase semi-conducteur (β) à métal (λ) dans T i 3 O 5 est associée à un changement de volume significatif. V 2 O 3 , d’autre part, subit à la fois une contraction de volume et un changement de symétrie lors de la transition isolant (AFI) -métal (PM). Une partie de ce travail de doctorat est consacrée au mécanisme de commutation à l’échelle de la nanoseconde dans T i 3 O 5 . Sur ces échelles de temps, la transition de la phase β- à λ se propage à l’intérieur et à travers les joints de grains (entre les nanocristaux). Nous montrons que cette dynamique dépend de la taille des nanocristaux. Nous étudions cette croissance de la phase photoinduite lors de la dissipation de la chaleur et recherchons des corrélations entre ce processus lent et les la forme des domaines nanoscopiques résultant de la transition induite par l’onde de déformation, se produisant sur une échelle de temps ultra-rapide. Les résultats sont rationalisés par une simulation numérique basée sur un modèle 2D de diffusion de chaleur, qui cartographie la distribution de phase dans ces échantillons polycristallins. Dans V 2 O 3 , la dynamique ultrarapide est régie par la propagation des déformations longitudinales dans l’épaisseur du film et par les déformations de cisaillement au sein des cristallites. Grâce a la morphologie des échantillons et a la photo-excitation homogène, aucune réponse lente n’est observé dans ce cas. Notre étude structurale à un délai de 100 ps après la photo-excitation montre une séparation de phase à une fluence laser au delà d’une fluence seuil, et une transformation complète au delà de la fluence de saturation.

Cette thèse porte sur l’étude des transitions de phases photo-induites dans des cristaux moléculaires, à travers de techniques ultrarapides infrarouges que j’ai développées et appliquées à l’étude de cas scientifiques. D’une part, j’ai étudié à l’aide de spectroscopie infrarouge femtoseconde une transition de phase photo-induite et ultrarapide au sein de l’hystérésis thermique du complexe à transfert de charge RbMnFe. Ces mesures ont permis de mettre en évidence un processus photo-induit multi-échelle allant de la formation locale et ultrarapide de polarons de transfert de charge à une transition de phase macroscopique. Ces expériences utilisant une méthode de « sample streaming », complétées par des mesures sur synchrotron et XFEL, ont permis de comprendre les mécanismes à l’origine de la transformation macroscopique et non réversible dans l’hystérésis et sous haut régime de fluence. D’autre part, j’ai étudié les mécanismes de phononique non-linéaire dans un composé moléculaire. Je me suis intéressé au matériau [Fe(phen)₂(NCS)₂] dont j’ai analysé en détail les modes de vibration dans le réseau cristallin. J’ai ensuite mis en évidence à l’aide de spectroscopie optique femtoseconde des dynamiques ultrarapides, induites par l’excitation résonante de modes de vibrations intramoléculaire infrarouges. Les résultats expérimentaux et théoriques démontrent qu’il est possible d’activer des modes de vibrations basses fréquences par excitation résonnante de modes infrarouge haute fréquence au travers du couplage de ces modes. Ces études mettent en évidence l’apport des techniques infrarouges pour l’observation et le contrôle de transitions de phase photo-induites par impulsions femtosecondes infrarouge.

Le caoutchouc naturel chargé de noir de carbone (CB-NR) est largement utilisé dans les applications antivibratoires pour ses propriétés mécaniques. En fatigue, le CB-NR présente un renforcement de la durée de vie sous chargement non-relaxant, généralement attribué à la cristallisation sous tension (CST). Le renforcement de la durée de vie est principalement étudié en traction uni-axiale, bien que les applications industrielles impliquent différents types de chargement non-relaxants et à température élevée. L'étude se focalise sur l'effet des chargements non-relaxants en torsion sur le renforcement de la durée de vie en fatigue du CB-NR à 23 et 90°C. Des essais en torsion ont été réalisés avec des éprouvettes axisymétriques entaillées. La méthode des éléments finis est utilisée pour prédire la réponse mécanique en tout point des éprouvettes, en prenant en compte l’hétérogénéité de l’accommodation. Les résultats ont été analysés en utilisant le diagramme de Haigh en torsion construit par une approche par plans critiques. Il a tout d’abord été montré que la torsion non-relaxante induit un fort renforcement de la durée de vie. Par ailleurs, le renforcement est de même intensité que celui obtenu sous traction uni-axiale avec le même matériau. À 90°C, le renforcement persiste, à un niveau inférieur à celui observé à 23°C, mais restant similaire au cas de la traction uni-axiale à cette température. L'analyse post-mortem réalisée à l'échelle macroscopique et microscopique nous a permis d'identifier les mécanismes d'endommagement en torsion, et de les lier aux conditions de chargement via un pseudo-diagramme de Haigh. Les résultats ont permis de déterminer le rôle de la CST dans les mécanismes d’endommagement en torsion.

La constante augmentation du nombre de petits débris spatiaux (≈1 mm) motive l’étude du comportement sous choc de matériaux innovants pour renforcer les blindages des structures spatiales actuellement utilisées. De précédentes études ont mis en lumière le potentiel des verres métalliques base zirconium comme matériaux de blindage lors d’expérience d’impacts hypervéloces sur une configuration de type Whipple. Dans ces travaux sur le comportement dynamique de verres métalliques du système ZrCuAl, nous avons fait le choix d’utiliser des lasers de puissance comme générateur de chocs plutôt que des lanceurs notamment pour atteindre des vitesses de déformation plus élevées (> 2×10⁷ s⁻¹) et, surtout, plus représentatives de celles générées lors d’impacts de débris spatiaux hypervéloces. Des campagnes expérimentales sur les installations du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses et du CEA ont permis : de compléter les courbes d’Hugoniot de verres métalliques massiques et sous forme de rubans ; de mettre en évidence une évolution de la limite à rupture avec la vitesse de déformation atteignant 13,6 GPa, soit presque 7 fois la valeur en quasi-statique ; d’observer de la cristallisation sous choc de la composition Zr₅₀ Cu₄₀ Al₁₀ avec des mesures de DRX sous choc ; et enfin de construire une équation d’état basée sur le modèle de Mie-Grüneisent référencée à l’isotherme de Birch.

Des joints toriques en élastomère butadiène-acrylonitrile (NBR) ou « nitriles » sont couramment utilisés dans les applications d'étanchéité, comme ceux trouvés à l'intérieur du système de freinage pneumatique du TGV. Dans cette application, un fort durcissement des NBR altère la fonction d'étanchéité du système et est une conséquence du vieillissement que subissent les élastomères pendant plusieurs années. Ce vieillissement engendre une dégradation des propriétés des matériaux, limitant leur durée de vie. Afin de reproduire ex-situ le vieillissement en conditions d’usage, des essais de vieillissement accélérés sont réalisés sur les différents NBR de l’étude, permettant d’étudier les cinétiques de dégradations à l’échelle du laboratoire. A travers de nombreuses analyses physico-chimiques et mécaniques, le mécanisme de dégradation principal à l’origine des changements au niveau du réseau macromoléculaire de l’élastomère est la thermo-oxydation. Cette dégradation chimique conduit au durcissement de l’élastomère et affecte ses propriétés viscoélastiques, réduisant alors sa capacité à se déformer lors d’une sollicitation mécanique (par exemple l’application d’une pression). Le couplage de la thermo-oxydation avec la pression est également étudié avec le développement d’un banc d’essais dédié et permet in fine d’affiner la prédiction de durée de vie des NBR utilisés par SNCF, dans l’optique d’une diminution de la fréquence des opérations de maintenance.

Les modèles physiques visant à prédire les propriétés mécaniques et rhéologiques des mousses liquides sont encore en développement. Une échelle locale pertinente pour attaquer ce problème du point de vue hydrodynamique est la mousse liquide élémentaire : quelques films de savon reliés entre eux par un ou deux ménisques. Ces travaux portent sur les écoulements dans de tels systèmes, plus précisément sur les mouvements dans les plans de ses différents films de savon. Il comporte essentiellement trois contributions. La première porte sur le comportement élastique individuel des films sous étirement. Nous avons étendu un modèle connu à une gamme de chimie plus large et plus commune, et avons pu mesurer les modules élastiques effectifs de nos solutions. La seconde porte sur la mise en évidence et la quantification d'une tension de ligne d’origine purement capillaire dans le plan d'un film de savon d'épaisseur hétérogène. En modélisant les mouvements de relaxation dans le plan du film de savon, nous validons cette mesure inédite par un accord quantitatif avec la dynamique observée. Enfin, la troisième contribution porte sur les échanges de surfactants entre films de savon voisins lorsque la mousse élémentaire est soumise à une contrainte mécanique. Le résultat principal de cette partie, et de cette thèse, est que le ménisque séparant les films n'intervient pas dans cet échange. Ceci est une information importante qui permet de fermer un modèle théorique préexistant qui vise à prédire la viscosité effective des mousses liquides.