Métallopeptides comme électrocatalyseurs pour la synthèse de carburants
L'hydrogène (H2) est un vecteur d'énergie propre prometteur, mais sa production industrielle repose principalement sur les énergies fossiles, conduisant à de fortes émissions de CO2. Seule une petite fraction est de l'"hydrogène vert", produit par électrolyse de l'eau avec des énergies renouvelables. De même, l'ammoniac (NH3), essentiel pour les engrais et l'industrie, représente un potentiel vecteur d'énergie non carbonée, mais sa production repose sur le procédé Haber-Bosch coûteux en énergie. La réduction électrochimique des ions nitrites (NO2-) en ions ammonium (NH4+) offre une alternative durable mais obtenir une haute efficacité et sélectivité de la réaction reste un défi. Des complexes métalliques présentant des ligands de type ATCUN (Amino-Terminal Copper and Nickel binding motif) se sont révélés prometteurs pour la production de H2 et NH3. Dans ce contexte, le projet ElectroPeps a pour but d'explorer le potentiel de complexes métalliques basés sur le motif ATCUN (M-ATCUN) comme électrocatamyseurs homogènes pour la production de H2 et NH3 en solution aqueuse et avec des performances optimales. Notre stratégie repose sur l'utilisation de ligands (pseudo-)peptidiques solubles dans l'eau, dont la séquence peut être aisément adaptée pour obtenir des séries de complexes métalliques bien définis. Des études de relations structure-activité, combinées à des études mécanistiques, nous permettront de rationaliser les paramètres clés pour une activité optimale de ces catalyseurs.
Transport quantique numérique pour des systèmes extrêmement grands
Le transport quantique est l’étude de la manière dont les électrons se propagent à travers les conducteurs tout en conservant leur cohérence ondulatoire. Il explique les phénomènes liés à la nature ondulatoire des électrons, tels que la quantification de la conductance, l’effet Aharonov-Bohm, la localisation faible, les fluctuations universelles de conductance, et bien d’autres encore. Le transport quantique computationnel est presque aussi ancien que la théorie qui lui est associée, mais les approches existantes peinent à traiter des systèmes suffisamment grands pour décrire les expériences pertinentes, en particulier en trois dimensions. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous nous appuierons sur une avancée récente dans les approches inspirées de la physique quantique (https://scipost.org/SciPostPhys.18.3.104) pour développer des méthodes de transport quantique qui vont bien au-delà des méthodes existantes. Notre hypothèse de travail est que la fonction d’onde de diffusion au cœur de la théorie du transport quantique peut être fortement compressée à l’aide d’une représentation par réseau tensoriel. Cette approche est analogue à celle adoptée pour le problème quantique à plusieurs corps dans le cadre du groupe de renormalisation de la matrice de densité. Dans un deuxième temps, nous appliquerons cette méthode en 2D à divers problèmes difficiles liés aux interféromètres électroniques à base de graphène et en 3D aux matériaux topologiques. Ce projet nécessite de bonnes compétences mathématiques et une expérience en programmation scientifique. Le travail portera à la fois sur des aspects théoriques et numériques.
Microscopie multiplex avec des sondes luminescentes à base de lanthanides
Les complexes de lanthanides avec des antennes « push-pull » pour la sensibilisation de leur luminescence ont montré leur fort potentiel pour l’imagerie cellulaire, grâce notamment à leurs propriétés d’absorption biphotonique permettant une excitation dans le proche infrarouge. Dans le cadre du projet MAGELLAN, nous cherchons à développer des sondes luminescentes pour l’imagerie biologique multiplex de cellules, avec deux objectifs : (1) développer des sondes à base d’Yb3+ pour l’imagerie NIR-NIR et (2) développer des sondes capables de réaliser l’imagerie spatio-temporelle de la consommation de O2 et de la production d’espèces réactives de l’oxygène (ROS = HOCl, H2O2) dans les macrophages, avec des sondes à base de Tb3+, Eu3+, Sm3+ et/ou Yb3+. Pour cela, nous concevrons des conjugués entre des complexes de lanthanide et des peptides ou des macromolécules biologiques (polysaccharides, polylysine, zymosan) au sein desquels le peptide ou la macromolécule permettra la localisation du complexe de lanthanide dans le cytosol ou le phagosome du macrophage ou le contraindra dans le milieu extracellulaire. Le doctorant recruté aura trois objectifs : (1) la synthèse et la caractérisation des sondes à bases de lanthanides, (2) l’évaluation en solution de leur capacité à détecter des ROS, et (2) leur évaluation pour la microscopie biphotonique et le suivi de la production de ROS ou la consommation de O2 avec des macrophages.
Stockage électrochimique de l’énergie: Augmentation de la capacité de stockage des batteries à flux redox organiques
Cette thèse porte sur l’augmentation de la capacité de stockage des batteries à flux redox organiques grâce à des booster à bases de polymères redox. Pour cela l’étudiant travaillera dans un environnement motivant et international à la synthèse de polymères redox et à leur étude électrochimique. L’étudiant participera également à l’intégration des booster développés dans des démonstrateurs. Ce travail sera réalisé à l’interface entre les laboratoires de recherches fondamentales et appliqués du CEA de Grenoble, l’étudiant aura accès à l’ensemble des deux laboratoires et à leurs moyens de caractérisations. Ce projet sera développé en partenariat avec des laboratoires de l’université de Rennes et d’Amiens et pourra échanger avec les autres étudiants travaillant sur le projet.
Algorithmes inspirés du quantiquie et de l'intelligence artificielle
Les ordinateurs quantiques sont censés révolutionner le calcul tels que nous le connaissons. Comment sont-ils censés y parvenir ? Essentiellement, ils nous permettent d'effectuer une partie de l'algèbre linéaire (certaines multiplications matrice-vecteur) sur des vecteurs exponentiellement grands. Le formalisme des réseaux de tenseurs constitue un cadre mathématique naturel pour comprendre leur fonctionnement. À l'inverse, les réseaux de tenseurs gagnent en popularité en tant qu'outils pouvant remplacer les ordinateurs quantiques, tout en fonctionnant sur du matériel parfaitement classique. Pour ce faire, ils s'appuient sur une structure sous-jacente cachée de certains problèmes mathématiques (une forme d'intrication) qui peut être exploitée pour compresser des vecteurs exponentiellement grands en petits réseaux de tenseurs. Un nombre croissant de problèmes, apparemment exponentiellement difficiles, sont résolus de cette manière. Les réseaux de tenseurs sont également étroitement liés à l'intelligence artificielle. Par exemple, la différenciation automatique – l'algorithme central de toutes les optimisations des réseaux neuronaux – équivaut à la contraction d'un réseau de tenseurs.
Ce doctorat se situe à l'intersection entre la physique quantique théorique et les mathématiques appliquées. L'objectif sera de développer et d'appliquer de nouveaux algorithmes pour « vaincre la malédiction de la dimensionnalité », c'est-à-dire repousser les limites des problèmes auxquels nous pouvons accéder par le calcul. Plus précisément, nous développerons une extension de l'algorithme d'interpolation croisée tensorielle (TCI) aux arbres tensoriels (également appelés réseaux tensoriels sans boucle). Dans sa forme actuelle, le TCI est un algorithme d'apprentissage actif qui peut mapper une fonction d'entrée à haute dimension sur un train de tenseurs (réseau de tenseurs linéaire) [1]. Son extension aux arbres améliorera considérablement l'expressivité du réseau. Dans un deuxième temps, nous appliquerons cet algorithme pour calculer une classe d'intégrales à haute dimension qui apparaissent dans le contexte des calculs de diagrammes de Feynman [2]. Les algorithmes envisagés combinent l'approche du flux de normalisation (issu des réseaux neuronaux) avec l'interpolation croisée des tenseurs (issu des réseaux de tenseurs). L'objectif est de pouvoir calculer le diagramme de phase hors équilibre de divers modèles corrélés, à partir des doubles points quantiques (qui suscitent actuellement un vif intérêt en raison de leurs applications aux qubits) dans le régime Kondo jusqu'à la propagation des impulsions de tension dans les interféromètres électroniques.
[1] https://scipost.org/SciPostPhys.18.3.104
[2] https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.041038
Complexes de lanthanide agissant comme colle supramoléculaire pour induire la cristallisation des protéines
L'objectif principal du projet est de comprendre comment des complexes de lanthanide spécifiques induisent la cristallisation des protéines et de les exploiter dans le nouveau domaine de la cristallographie macromoléculaire. Au cours du projet de doctorat, nous visons à (1) explorer les propriétés des nouvelles molécules ; (2) développer un outil prédictif sur la propension des molécules à induire la cristallisation ; (3) développer la détection de cristaux de taille sub-micronique ; (4) étudier la possibilité de générer des cristaux directement dans les cellules.
Complexes de métaux de transition adressables comme modèles de bits et de portes logiques quantiques
Le projet concerne la conception, l’élaboration et l’étude de la dynamique de spin au sein de complexes
binucléaires à base de métaux de transition comme modèles de portes logiques quantiques. Une première partie
focalise sur des complexes de Cu(II). La deuxième partie concerne l’exploration de complexes à base de Fe(II)
adressables optiquement dans le domaine visible. Les complexes seront d’abord caractérisés par spectroscopie
de résonance paramagnétique électronique (RPE) en mode continu pour mettre évidence le comportement de bit
quantique des complexes mononucléaires utilisés pour former les espèces binucléaires. Puis des études
détaillées des temps de relaxation spin-réseau (T1) et spin-spin (temps de cohérence, T2) seront réalisées par
RPE impulsionnelle. Les études sur les complexes (mononucléaires et éventuellement binucléaires) adressables
permettront de déterminer l’impact de la présence d’un centre paramagnétique sur le temps de cohérence d’un
autre au sein de l’entité binucléaire, permettant ainsi d’évaluer la robustesse de portes logiques quantiques
manipulables par la lumière visible.
Panneaux solaires recyclés en nanofils d’argent pour réduction catalytique du CO2 et électrodes transparentes
Les nanofils d’argent (AgNW) et leurs réseaux sont des nanomatériaux aux propriétés remarquables : conductivité électrique et thermique record à l’ambiante, et bonne stabilité chimique. Ils sont fabriqués à l’échelle industrielle et utilisés comme électrodes ou films chauffants transparents. Deux applications plus récentes et prometteuses concernent la catalyse de réduction du CO2 et les films de faible émissivité infra-rouge.
Ce projet de thèse vise à synthétiser les AgNW à partir d’argent recyclé issus de panneaux solaires en fin de vie, dans une approche de « chimie verte ». La qualité du nanomatériau produit sera directement testée dans deux dispositifs pertinents : les films de faible émissivité dans l'IR pour la réduction des pertes de chaleur par rayonnement, et en électrolyseur de réduction du CO2 pour la filière des électrocarburants, dits e-fuels. On s’attachera à comprendre les bases fondamentales de l’impact des impuretés sur la synthèse des AgNWs, mais aussi leur effet sur les propriétés physiques des réseaux de AgNWs, leur stabilité sous stress et leurs performances en catalyse.
Le/la doctorante sera embauchée au CEA de Grenoble, dans le laboratoire SyMMES, un laboratoire de recherche fondamentale spécialisé en synthèse de nanomatériaux et étude de dispositifs pour l’énergie, cellules solaires, batteries et électrolyse/photocatalyse. Le travail sera partagé avec le laboratoire LMGP du Grenoble INP, spécialisé dans l’élaboration et l’étude de matériaux et leur implémentation dans des dispositifs de type couche mince ou détecteurs. Le SyMMES et le LMGP appartiennent à l’Université Grenoble Alpes et accueillent des équipes largement internationales. Ce projet sera par ailleurs mené en collaboration avec une entreprise industrielle locale de recyclage.
On recherche une/un étudiant titulaire d’un Master 2 en chimie ou physique avec des compétences en nanomatériaux, électrochimie ou physico-chimie, et en sciences de base pour l’énergie, avec un fort goût de l’innovation et du travail collaboratif. Une bonne maitrise de l'anglais est importante.
Optimisation de la microscopie super-résolution à température cryogénique pour la biologie structurale intégrée
La microscopie de fluorescence à super-résolution (« nanoscopie ») permet d’imager le vivant à l'échelle nanométrique. Cette technique a déjà révolutionné la biologie cellulaire, et aujourd'hui, elle investit le domaine de la biologie structurale. Une évolution majeure concerne le développement de la nanoscopie à température cryogénique (« cryo-nanoscopie »). La cryo-nanoscopie offre plusieurs avantages clés, notamment la perspective d'une corrélation extrêmement précise avec les données de cryo-tomographie électronique (cryo-ET). Cependant, la cryo-nanoscopie ne permet pas encore d’obtenir des images super-résolues de qualité suffisamment élevée. Ce projet de thèse se concentrera sur l'optimisation de la cryo-nanoscopie en utilisant la méthode de microscopie de localisation de molécules uniques (SMLM) avec des protéines fluorescentes (FP) comme marqueurs. Notre objectif est d'améliorer significativement la qualité des images cryo-SMLM (i) en étudiant les propriétés photophysiques de plusieurs FPs à température cryogénique, (ii) en modifiant un microscope cryo-SMLM pour collecter de meilleures données et (iii) en développant le complexe du pore nucléaire (NPC) comme outil de métrologie pour évaluer quantitativement les performances de la cryo-SMLM. Ces développements favoriseront les études corrélatives (cryo-CLEM) reliant la cryo-nanoscopie et la tomographie électronique basée sur le cryo-FIB-SEM.
Reconstitution in vitro de la polarisation du réseau de microtubules.
Les microtubules, polymères biologiques présents dans toutes les cellules eucaryotes, servent de support au transport intracellulaire via des moteurs moléculaires, définissant ainsi la polarité cellulaire. Contrairement au dogme établissant le centrosome comme déterminant de cette polarité, des recherches du CytoMorpho Lab révèlent que les microtubules peuvent s'auto-organiser sans centre organisateur. Des expériences in vitro ont démontré que les microtubules séparent activement les moteurs moléculaires de polarités opposées en domaines distincts, créant un nouveau mécanisme de séparation de phase active. Un tel partitionnement de l’espace par les microtubules et les moteurs constitue un nouveau mécanisme de morphogenèse.Le projet doctoral vise à encapsuler ce système dans des vésicules lipidiques de taille contrôlée pour étudier comment les dimensions relatives permettent une polarisation efficace. Cette approche nécessitera le développement d'un dispositif microfluidique et l'optimisation des conditions biochimiques pour l'ancrage des moteurs dans la bicouche lipidique. Les perspectives incluent la création de "cellules artificielles" capables de polarisation et la réévaluation des modèles de polarisation cellulaire, notamment pour les lymphocytes T et d'autres cellules différenciées.