Jury :

Reviewer: M. Loïc, Vanel, Prof. ILM CNRS, Univ. Lyon 1,
Reviewer: Mme Anne, Tanguy, Prof. INSA Univ. Lyon,
Examiner: M. Stéphane, Santucci, DR CNRS, ENS de Lyon
Examiner: M. Matteo, Ciccotti, Prof. ESPCI Paris
Examiner: Mme Delphine, Brancherie, Prof. UTC Compiègne
Co-supervisor: M. Stefano, Giordano, DR CNRS, IEMN CNRS, Univ. Lille
Co-supervisor: M. Giuseppe, Puglisi, Prof. DICATECh Bari, Italie
Guest: M. Giuseppe, Florio, Prof. DICATECh Bari, Italie

Summary:

Les phénomènes de micro-instabilité et de multi-stabilité jouent un rôle clé dans divers systèmes mécaniques et physiques, tant artificiels que biologiques. Leur compréhension fait donc l’objet d’un vaste champ d’études, avec de nombreuses applications pratiques et théoriques. La modélisation de l’effet de la température sur les micro-instabilités, apparaissant dans différents phénomènes artificiels et biologiques, permet la validation de la mécanique statistique pour les petits systèmes, par la comparaison avec les données expérimentales obtenues à l’aide de la spectroscopie de force et d’essais micromécaniques, fournissant ainsi des informations utiles sur les réponses induites par les forces ou les allongements appliqués. Ces analyses sont particulièrement importantes pour l’étude de tous les systèmes qui présentent deux (ou plus) états métastables, tels que les processus d’adhésion/déadhésion, les transformations de phase (pliage/dépliage et phénomènes pseudo-élastiques) et la propagation des fissures et des fractures dans les systèmes à l’échelle nano- et micro-métriqe. À titre d’exemple, la température influence fortement les caractéristiques de transformation de phase des nanofils pseudo-élastiques utilisés comme actionneurs et capteurs en nanotechnologie, ou modifie les propriétés d’adhésion des cellules métastatiques dans les processus d’invasion du cancer. La réponse force-extension ou contrainte-déformation est l’une des principales caractéristiques utiles pour comprendre les effets des micro-instabilités et, pour l’obtenir analytiquement, il faut évaluer la fonction de partition du système, qui est l’outil essentiel de la mécanique statistique. Par conséquent, la forme complexe de l’énergie potentielle du problème étudié est approximée en utilisant la technique des variables de spin, ce qui permet d’obtenir une quantité discrète capable d’identifier les différents puits d’énergie potentielle. La première partie de cette thèse traite de l’état de l’art, des problèmes ouverts, des motivations et de la description des méthodologies adoptées. La partie suivante montre comment différents phénomènes physiques peuvent être étudiés par la même approche de modélisation.

Abstract:

Micro-instability and multi-stability phenomena play a key role in various mechanical and physical systems, both artificial and biological. As such, their understanding is addressed in a wide field of studies, with many practical and theoretical applications. The modeling of the temperature effect on micro-instabilities, appearing in different artificial and biological phenomena, allows the validation of the statistical mechanics for small systems, through the comparison with experimental data obtained using force spectroscopy and micromechanical testing, thus providing useful insights on the responses induced by applied forces or elongations. These analyses are particularly important in the study of all the systems that present two (or more) metastable states such as the adhesion/deadhesion processes, the phase transformations (e.g. the folding/unfolding and pseudo-elastic phenomena) and the cracks and fractures propagation in nano- and micro-scale systems. For examples, the temperature strongly influences the phase transoformation features of pseudo-elastic nanowires used as actuators and sensors in nanotechnology, or modifies the adhesion properties of metastatic cells in cancer invasion processes. The force-extension or stress-strain response is one of the main useful features to understand the effects of micro-instabilities and, in order to be analytically obtained, one needs to evaluate the system partition function, which is the essential tool of the statistical mechanics. Hence, the complex potential energy landscape of the problem under investigation is approximated using the spin variables technique, intoducing a discrete quantity able to identify the different potential energy wells. The first part of this thesis addresses the state of the art, the open problems, the motivations and the description of the adopted methodologies. The following part shows how commonly different physical phenomena can be studied by the same modelling approach