UPThèses

Ces travaux de thèse rentrent dans le cadre de l'ANR Photoflex (2013-2016) qui vise à mettre au point une technologie d'impression laser sans contact, pour créer des motifs actualisables ou permanents à caractère unique sur tout type de support, en particuliers des supports souples. Nous rapportons la synthèse par technique de pulvérisation magnétron en mode réactif et à température ambiante de films minces nanocomposites photochromes constitués de nanoparticules d'Ag entre deux couches nanoporeuses de TiO2. Ces films sont déposés sur des substrats souples tels qu'un plastique transparent (PET) et un papier diffusant. Nous montrons que lorsque le TiO2 est élaboré en régime de pulvérisation élémentaire, le film nanocomposite est coloré en raison de la présence de nanoparticules d'Ag métalliques induisant une résonance de plasmons de surface localisés dans le visible. En revanche, en régime de pulvérisation composite, le film nanocomposite est incolore car l'Ag s'oxyde lors de son recouvrement par le TiO2. Nous avons démontré que les échantillons incolores peuvent se colorer sous insolation laser UV (244 nm) dû à la réduction de l'Ag oxydé puis à la croissance de nanoparticules d'Ag métalliques par coalescence ou par mûrissement d'Ostwald. De plus, l'insolation laser visible (647 nm) à de faibles éclairements (quelques W.cm-2) de ce type de film ou des films initialement colorés donne lieu à des changements morphologiques des nanoparticules d'Ag qui modifient l'absorbance du film et entraînent une modification de la coloration de l'échantillon. Nous avons étudié l'influence des conditions de dépôt (épaisseur de la couche de recouvrement des nanoparticules, épaisseur de la sous-couche de TiO2, quantité d'Ag, temporisation après dépôt d'Ag, traitement plasma des nanoparticules d'Ag, multicouches) afin d'optimiser les effets de photochromisme en amplitude et en vitesse. Tous les mécanismes de photochromisme sont répétables durant des processus cycliques d'insolation UV/Visible. Pour de forts éclairements en laser visible (plusieurs dizaines de kW.cm-2), nous avons observé sur des films nanocomposites déposés sur verre, des changements de couleurs dépendants de la direction de polarisation du faisceau sonde, liés à la croissance thermique et à l'auto-organisation de l'Ag selon un réseau périodique de chaînes de nanoparticules. Contrairement aux faibles éclairements, les couleurs photo-induites sont permanentes et présentent un caractère dichroïque. Cette étude ouvre des perspectives intéressantes en termes d'applications, notamment pour l'authentification et la traçabilité de produits manufacturés, le stockage de données, les nouvelles générations de datamatrix, etc.

La performance sportive et la prévention des blessures en cyclisme sont étroitement liées à l'amélioration des capacités physiques, de la technique gestuelle ainsi qu'à l'optimisation du matériel utilisé. Dans ce contexte, nous avons étudié l'influence du recul de selle sur l'efficacité du mouvement de pédalage ainsi que sur les efforts internes au niveau du genou. Une approche de modélisation musculo-squelettique a été développée afin de quantifier indirectement les forces musculaires et articulaires exercées à partir de mesures externes cinématiques et dynamiques. Un intérêt tout particulier a été porté sur l'adéquation entre les mesures des efforts extérieurs, le modèle anthropométrique et les mesures cinématiques afin de diminuer les incohérences dynamiques associées à un système surdéterminé. A partir de ces mesures, les effets du recul de la selle sur la performance ont été évalués à travers l'indice d'efficacité de la force produite à la pédale et un nouvel indice, basé sur le travail mécanique externe. Les résultats ont montré qu'un positionnement de la selle plus reculé augmente l'efficacité du mouvement de pédalage. Concernant la prévention des blessures, notre analyse s'est portée sur l'effet du recul de selle sur deux troubles musculo-squelettiques (TMS) fréquents en cyclisme : le syndrome fémoro-patellaire et le syndrome de la bandelette ilio-tibiale. Nos résultats ont montré que le recul de selle ne modifie pas les forces fémoro-patellaires communément incriminées dans la survenue de ce syndrome. Par ailleurs, une position plus reculée augmente les forces fémoro-tibiales de compression par le biais notamment de la contraction excentrique des muscles ischio-jambiers. Bien que le syndrome de la bandelette ilia-tibiale soit classiquement décrit comme un syndrome de friction (syndrome de l'essuie-glace), le calcul de la force d'interaction entre la bandelette iliotibiale et l'épicondyle fémoral a montré que la compression est le facteur discriminant dans le pathoméchanisme. L'approche méthodologique de simulation développée dans ce cadre possède par ailleurs un fort potentiel afin de corriger les défauts techniques, d'optimiser les réglages matériels et améliorer la prise en charge thérapeutique des TMS. Plus généralement, les développements méthodologiques et implications cliniques issus de ces travaux trouvent des applications directes dans le milieu du cyclisme mais aussi dans l'étude de nombreuses activités sportives (notamment sur ergomètre) du point de vue de la performance, de la prévention des blessures et de la rééducation.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude des facteurs qui influent l'efficacité de collecte des médias non-tissés chargés par décharge couronne, utilisés pour la filtration de l'air. Les recherches se sont focalisées sur les techniques faisant appel à la décharge couronne en configuration fil-plan et en configuration triode (électrode duale + grille + plan de masse). L'étude s'est déroulée en trois phases : (1) mise au point de dispositifs expérimentaux pour générer la décharge couronne et mesurer le potentiel électrique à la surface des échantillons chargés ; (2) caractérisation de l'état de charge des médias ; (3) évaluation de l'efficacité de collecte, en corrélation avec les résultats des mesures de charge. La distribution de charges a été plus homogène en configuration triode et le niveau de charge a été meilleur en polarité positive. Le déplacement de l'échantillon dans la zone de décharge électrique permet de mieux uniformiser la distribution de la charge. L'augmentation du courant de décharge et du potentiel de grille permet d'amplifier le niveau de charge des médias, suite à l'intensification du champ électrique moyen entre l'électrode active et le plan de masse (en configuration fil – plan), ou entre la grille et le plan de masse (en configuration triode). L'efficacité de la collecte est meilleure si la charge est uniformément déposée, sous l'action d'un champ électrique plus intense. Elle est plus élevée pour les configurations dites « multicouches » où la captation des particules est améliorée par l'association de plusieurs mécanismes physiques, mettant en jeux des forces électriques et mécaniques.

Les objectifs de ce travail sont d'une part d'étudier la structure électronique de carbures de titane bidimensionnels appartenant à la famille des MXènes, et d'autre part de synthétiser des films minces pour caractériser certaines de leurs propriétés. L'étude de la structure électronique a été réalisée sur le système Ti3C2T2 avec une attention particulière portée aux groupements de surface T (T=OH, F ou O) en comparant les résultats obtenus par spectroscopie de perte d'énergie des électrons à ceux des calculs ab initio. Cette étude, portée à la fois sur les excitations du gaz d'électrons de valence et des électrons de coeur, a permis de mettre en évidence la localisation des groupements de surface, ainsi que leur influence sur la structure électronique du MXene. La comparaison des simulations et des spectres expérimentaux a également permis de caractériser la nature chimique des groupements de surface. Enfin, la limite d'une telle étude est discutée en considérant les phénomènes d'irradiation responsables de la perte d'atomes d'hydrogène. La synthèse d'échantillons modèles nécessite la synthèse préalable d'un film mince de phase MAX précurseur pour le MXene : nous avons choisi la phase Ti2AlC, précurseur de Ti2C. La synthèse de Ti2AlC a été réalisée par recuit ex-situ de systèmes multicouches déposés à température ambiante. Les films ont été caractérisés par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission. Au-delà de l'obtention d'un film mince de Ti2AlC texturé, cette étude a permis de montrer que la phase recherchée était obtenue via des mécanismes d'interdiffusions induisant la formation d'une solution solide métastable vers 400°C qui se transforme en phase MAX vers 600°C. Enfin, l'application de ce procédé à la phase V2AlC a permis de montrer l'importance de l'orientation de la phase initiale pour l'obtention d'un film mince texturé.

Le comportement mécanique de films minces métalliques déposés sur des substrats souples joue un rôle déterminant dans les performances de l'électronique flexible et des micro- systèmes électromécaniques (MEMS). Dans un premier temps, une nouvelle méthode est présentée pour caractériser le module d'élasticité de films minces submicroniques. Avec deux couches déposées de chaque côté et sur la moitié du substrat polymère, la corrélation d'image numérique (CIN) a été utilisée pour mesurer simultanément la déformation du film et du substrat in situ au cours d'un essai de traction. La différence entre les déformations mesurées sur la partie vierge et le composite permet d'extraire les propriétés élastiques de films minces de manière simple et avec grande précision. Comme attendu, la distribution des déformations est uniforme au travers de l'épaisseur du film ce qui indique une adhésion parfaite entre le film et le substrat. Dans le cas de films minces de tungstène, de chrome, de nickel et de cuivre, les valeurs de module obtenues sont proches de celles des mêmes matériaux à l'état massif. Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode expérimentale utilisant une machine de déformation uniaxiale est présentée pour étudier l'effet Bauschinger dans des films minces métalliques déposés sur des substrats étirables. Grâce à un dispositif original, les films minces sont déposés sur des substrats prétendus et peuvent donc être déformés alternativement en tension et en compression dans un large domaine de déformations. La déformation élastique intra granulaire des films minces polycristallins et la déformation macroscopique du substrat sont mesurées in situ par diffraction des rayons X et CIN respectivement. A partir des courbes « déformation élastique – déformation macroscopique », la réponse mécanique de l'ensemble film / substrat est analysée au vu de l'histoire complète du chargement et de la microstructure (contraintes résiduelles, texture) des films minces.

Le travail présenté s'intéresse à la problématique générale de la mise en oeuvre de mains robotiques à haut niveau de dextérité. Dans ce contexte, nous nous intéressons à la synthèse de prise d'objets en prenant en compte les contraintes propres à la tâche de manipulation visée. La manière dont l'objet est saisi a une importance capitale sur le bon déroulement d'une tâche. Le développement d'algorithmes capables de générer automatiquement des prises optimales implique avant tout la nécessité de définir la notion de prise optimale au regard de la tâche cible. Pour répondre à ce problème, la communauté scientifique propose dans la littérature de nombreux critères de qualité et continue à en développer de nouveaux. Dans cette thèse, nous présentons une extension des travaux proposés avec une étude approfondie de ces critères dans le cadre de la manipulation dextre. Ces critères sont évalués avec une main robotique entièrement actionnée à quatre doigts et seize articulations. Nous quantifions l'efficacité de ces critères dans le cadre de la réalisation de tâches de manipulation fine avec trois types d'objets spécifiques. Deux groupes de critères sont étudiés : d'une part des critères s'appuyant uniquement sur la position des points de contact, et, d'autre part, des critères prenant en compte la cinématique du préhenseur. Cette étude nous a permis de sélectionner un ensemble de critères pertinents pour résoudre le problème de synthèse de prise que nous avons mis en oeuvre dans un processus basé sur une approche évolutionnaire. Cette approche a été validée dans l'environnement de simulation OpenRAVE, puis expérimentalement avec la nouvelle main RoBioSS.

Le crawl est actuellement la nage utilisée lors des épreuves de nage libre durant les compétitions de natation aux différentes allures de nage (sprint, demi-fond et fond). Les bras sont les segments corporels qui participent le plus à la propulsion. Les accélérations de ces segments, dans le milieu fluide au repos, génèrent un écoulement complexe qui est à l'origine des forces hydrodynamiques propulsives. L'analyse de cet écoulement est nécessaire pour en comprendre les principaux mécanismes. Dans ce cadre, des « paramètres cinématiques d'écoulement » (vitesse, accélération et orientation de la main, angles d'attaque et de sweepback) ont été définis afin d'analyser et comparer les différentes organisations gestuelles des nageurs et de leurs effets sur la propulsion. Deux des principaux axes d'investigation étaient de vérifier si ces paramètres variaient en fonction de l'allure, et aussi de déterminer quels paramètres cinématiques étaient les plus prépondérants dans la génération des mécanismes propulsifs. Pour cela, un système opto-électronique d'analyse cinématique, a permis de mesurer ces paramètres sur 17 nageurs experts. Par ailleurs, l'écoulement généré par le trajet des bras aux différentes allures a été simulé par résolution numérique instationnaire des équations de Navier-Stokes. Enfin, des mesures expérimentales d'effort ont été faites en nage attachée afin de connaître les forces propulsives. Il apparaît que l'augmentation de l'allure de nage peut davantage s'expliquer par la diminution des durées des phases non propulsives (entrée et allongement) plutôt que par l'augmentation des forces durant les phases les plus propulsives (balayages interne et externe).

Ce mémoire est consacré au développement et à l'application d'une méthode permettant de caractériser finement les propriétés physiques (densité d'hélium, pression, diamètre, morphologie) de bulles d'hélium de taille nanométrique pour in fine améliorer la compréhension du comportement de ces nano-systèmes. L'approche que nous avons choisie est basée sur la spectroscopie de pertes d'énergie des électrons et l'acquisition de spectres images en microscopie électronique en transmission filtrée en énergie. Les différentes étapes d'acquisition, de correction des aberrations, et de traitement des spectres sont détaillées. L'erreur sur la mesure est estimée, et des améliorations potentielles de la méthode sont discutées. Nous montrons de plus que cette approche permet non seulement de dépasser les limites imposées par la microscopie électronique en transmission à balayage habituellement utilisée, mais aussi d'aller au-delà, en terme de statistique notamment. Nous appliquons ensuite notre méthode pour déterminer les propriétés physiques de bulles d'hélium dans le silicium, lors de recuits thermiques in situ dans le microscope. L'évolution des caractéristiques morphologiques des bulles est mise en rapport avec la variation de la densité d'hélium qu'elles contiennent suite à ces recuits. Les valeurs de densité et de pression obtenues sont comparées aux valeurs disponibles dans la littérature par des méthodes expérimentales ou numériques. Enfin, le transfert de notre méthode pour l'étude de bulles dans d'autres matrices (germanium, carbure de silicium, euxénite) est discuté.

Avec la nouvelle génération d'avions composites, une attention est portée sur les systèmes de carburant vis-à-vis de la prévention des décharges électrostatiques (ESD) durant les phases de remplissage des réservoirs. La plupart des travaux réalisés en aéronautique a été menée sur des réservoirs métalliques. Toutefois, l'introduction des matériaux composites a soulevé de nouvelles interrogations, puisque ces matériaux peuvent avoir un comportement différent des métaux vis-à-vis de l'électrisation par écoulement, qui justifient pleinement de nouvelles analyses. Afin de définir correctement les structures des réservoirs et leur protection contre les risques ESD, il est crucial de comprendre comment un empilement complexe de matériaux se comporte en termes de création de charge lorsque ces matières sont en contact avec un carburant d'avion. La structure de ces matériaux et leurs propriétés électriques contrôlent le potentiel électrique atteint dans le réservoir à travers un équilibre entre la production, l'accumulation et la fuite des charges électriques. Ce potentiel peut dépasser le point d'éclair du mélange air/vapeurs de carburant et provoquer une inflammation. Diverses mesures de protection peuvent être adoptées pour contrôler ce phénomène, comme utiliser des additifs antistatiques dans les carburants, des réservoirs métalliques à la masse ou encore des réservoirs faits de matériaux non métalliques mais ne favorisant pas l'accumulation de charges. C'est principalement en réponse à cette dernière solution que ce travail est orienté afin de guider vers le choix optimaux des matériaux et une meilleure définition des structures du réservoir.

Le silicium obtenu par croissance cristalline de lingots massifs est l'une des matière les plus utilisées dans l'industrie du photovoltaïque (PV) en tant que substrat. Des contraintes résiduelles faibles apparaissent durant les procédés thermiques et mécaniques de fabrications. Malgré leurs faibles intensités, ces contraintes sont néfastes et induisent des casses importantes durant la mise en forme et la mise en fonctionnement des cellules solaires. Le but de l'étude est de caractériser ces contraintes résiduelles. La photoélasticimétrie infrarouge est une méthode adaptée pour déterminer ces champs de contraintes de quelques MPa de façon non-destructive, sans contact et in-situ à l'échelle du substrat. Un dispositif spécifique a été développé afin de mener à bien l'étude. Les origines des contraintes résiduelles ont été mises en relation avec les différents procédés de fabrication.