Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : BIOPHYSIQUE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

paroi cellulaire,bois de tension,nanoindentation,spectroscopie Raman,angle de microfibrilles,nanomécanique,

Keywords

wood cell,tension wood,nanoindentation,Raman spectroscopy,microfibrils angle,nanomechanics,

Titre de thèse

Le bois de tension à l’échelle de la paroi cellulaire : méthodes et caractérisations mécaniques par nanoindentation par AFM et spectroscopie Raman
Tension wood at the cell wall scale: methods and mechanical characterizations by AFM nanoindentation and Raman spectroscopy

Date

Lundi 16 Mai 2022 à 10:30

Adresse

CINaM Campus de Luminy – Case 913 13009 Marseille Raymond Kern

Jury

Directeur de these Mme Anne CHARRIER CINaM, Aix-Marseille Université
CoDirecteur de these Mme Aude LEREU Institut Fresnel, Aix Marseille Université
Examinateur Mme Brigitte CHABBERT INRAE
Examinateur M. philippe LEPROUX XLIM, Université de Limoges
Rapporteur Mme Evelyne TOUSSAINT Institut Pascal,Université Clermont Auvergne
Rapporteur M. Bruno CLAIR LMGC, Université de Montpellier

Résumé de la thèse

Les arbres ont, au cours de l’évolution, développé une fonction motrice active leur permettant de se réorienter efficacement. Conifères et feuillus ont chacun opté pour des stratégies différentes. Cependant, dans les deux cas, celles-ci reposent sur la génération d’une contrainte longitudinale, c’est-à-dire dans la direction de croissance primaire du bois, lors de la phase de maturation de la paroi cellulaire. Si cette contrainte peut être mesurée à l’échelle macroscopique, le mécanisme sous-jacent, à l’échelle pariétale, fait l’objet de nombreuses théories parfois incompatibles entre elles. Plusieurs facteurs limitent notre compréhension de ce phénomène : (1) la difficulté à mesurer les propriétés mécaniques du bois à cette échelle, qui est entravée par la structure complexe et anisotrope du bois ; (2) le manque de données sur l’état de contrainte des différentes parois cellulaire in vivo. Cette thèse vise à développer des méthodes expérimentales et de traitement des données à ce matériau spécifique dans le but d’acquérir ce type d’information pour des échantillons de bois de peuplier. Une première partie expérimentale est consacrée à la mise en place et la validation d’une méthode de mesure semi-quantitative des propriétés mécaniques par nanoindentation par AFM permettant de s’affranchir des approximations liées à la géométrie et à la raideur du cantilever. Cette méthode, appliquée à la cartographie a permis de comparer les propriétés mécaniques d’échantillons de bois de tension et de bois normal. Enfin, nous avons établi une méthode pour identifier les constantes élastiques indépendamment de l’angle des microfibrilles. Dans une seconde partie, nous explorons le potentiel offert par la micro-spectroscopie Raman pour détecter des contraintes résiduelles sous forme de décalages spectraux, faisant l’objet de controverses. Nous montrons l’importance de la prise en compte de la variation de la composition en espèce chimique lorsque l’on souhaite comparer les données provenant de couches pariétales, ou de régions différentes. Le protocole présenté dans cette étude permet de corriger cet effet afin de le décorréler de celui de la présence de contraintes internes. Nous concluons que les décalages spectraux observés sont expliqués par une variation de la composition chimique et non le signe de contraintes internes. Les travaux issus de cette thèse fournissent une base méthodologique aussi bien pour l’étude du bois dans l’arbre, en tant que matériau industriel ou plus largement pour d’autres matériaux complexes rigides.

Thesis resume

During the course of evolution, trees have developed an active motor function that allows them to reorient themselves efficiently. Conifers and deciduous trees have each opted for different strategies. However, in both cases, these strategies are based on the generation of a longitudinal stress, i.e. in the primary growth direction of the wood, during the maturation phase of the cell wall. While this stress can be measured at the macroscopic scale, the underlying mechanism, at the parietal scale, is the subject of many theories, some of which are incompatible with each other. Several factors limit our understanding of this phenomenon: (1) the difficulty in measuring the mechanical properties of wood at this scale, which is hampered by the complex and anisotropic structure of wood; (2) the lack of data on the stress state of different cell walls in vivo. This thesis aims at developing experimental and data processing methods for this specific material in order to acquire such information for poplar wood samples. A first experimental part is dedicated to the implementation and validation of a semi-quantitative method for the measurement of mechanical properties by AFM nanoindentation, in order to get rid of the approximations related to the geometry and stiffness of the cantilever. This method, applied to mapping, allowed us to compare the mechanical properties of samples of tension wood and normal wood. Finally, we established a method to identify the elastic constants independently of the microfibrils angle. In a second part, we explore the potential of Raman micro-spectroscopy to detect residual stresses in the form of spectral shifts, which have been the subject of controversy. We show the importance of taking into account the variation in chemical species composition when one wishes to compare data from different parietal layers or regions. The protocol presented in this study allows us to correct this effect in order to decorrelate it from that of the presence of internal stress. We conclude that the observed spectral shifts are explained by a variation of the chemical composition and not the sign of internal stress. The work resulting from this thesis provides a methodological basis for the study of wood in the tree, as an industrial material or more broadly for other complex rigid materials.