Étude des interactions entre les sels de lanthanides et les systèmes lipidiques
Les interactions lanthanide–lipide ont suscité un vif intérêt en raison de leur importance dans les applications biophysiques et technologiques, notamment l’imagerie par résonance magnétique, le marquage cellulaire par fluorescence et la vectorisation de médicaments. Ce projet vise à étudier les interactions entre différents sels de lanthanides (LnX3, où X = Cl-, ClO4-, NO3-, etc.) et des agrégats lipidiques, en se concentrant sur les phénomènes de précipitation et de gélification qui se produisent lorsque leur concentration dépasse un certain seuil. La compréhension de ces phénomènes est essentielle pour l’étude de l’auto-assemblage et du comportement de phase dans les systèmes de matière molle. En examinant la manière dont les ions lanthanides interagissent avec les agrégats lipidiques — notamment en présence de différents anions — cette étude cherche à élucider leurs rôles dans l’induction de la précipitation et de la gélification. À cette fin, une combinaison de techniques spectroscopiques, de diffusion, de microscopie et de rhéologie sera employée pour caractériser les interactions moléculaires au sein des systèmes lanthanide–phospholipides. Ces recherches fourniront des informations sur les propriétés structurales et dynamiques de ces systèmes et soutiendront leur application dans des contextes à la fois biophysiques et technologiques.
Façonnage spatio-temporel de l'émission harmonique d'ordre élevé dans les cristaux nanostructurés
Nous proposons d’étudier la manipulation spatio-temporelle du rayonnement émis par la génération d’harmoniques d’ordre élevé, en mettant à profit les progrès des technologies de nanofabrication. L’approche consiste à transposer les méthodes développées pour les méta-optiques au régime de champs forts spécifique à la génération d’harmoniques. Le(la) candidat(e) devra explorer différentes stratégies de conception pour contrôler les propriétés spatio-temporelles de ce rayonnement, qui est intrinsèquement lié à la large bande spectrale des impulsions attosecondes. Ces concepts seront ensuite implémentés et validés expérimentalement. Ce projet a pour objectif de renforcer l’intégration de la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans des dispositifs optoélectroniques, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications en photonique ultrarapide.
Comprendre les signaux émis par les liquides en mouvement
L'élasticité est l'une des plus anciennes propriétés physiques de la matière condensée. Elle s'exprime par une constante de proportionnalité G entre la contrainte appliquée (s) et la déformation (?) : s = G.? (loi de Hooke). L'absence de résistance à la déformation de cisaillement (G' = 0) indique un comportement de type liquide (modèle de Maxwell). Longtemps considérée comme spécifique aux solides, l'élasticité de cisaillement a récemment été identifiée dans les liquides à l'échelle submillimétrique notamment mis en évidence par un groupe au Laboratoire Léon Brillouin [1].
L'identification de l'élasticité de cisaillement des liquides (G' non nul) est une promesse de découverte de nouvelles propriétés liquides. Nous avons ainsi montré qu'un liquide confiné change de température sous l'effet d'un écoulement. Pourtant, aucun modèle classique (Poiseuille, Navier-Stokes, Maxwell) ne prédit cet effet, car sans corrélation à longue portée entre les molécules (c'est-à-dire sans élasticité), l'écoulement est dissipatif, donc athermique. Pour qu'un changement de température soit induit par l'écoulement (sans source de chaleur), le liquide doit présenter une élasticité et cette élasticité doit être sollicitée mécaniquement [1,2]. La thèse de doctorat explorera la conversion de l'énergie mécanique de l'écoulement en températures hors-équilibre (Non-Fourier) [2]. Nous exploiterons notamment cette capacité de conversion pour développer une nouvelle génération de systèmes microfluidiques (brevet FR2206312).
Nous explorerons également l'impact du mouillage sur l'écoulement et, réciproquement, nous examinerons comment l'écoulement liquide modifie la dynamique solide (THz) du substrat [3]. Des méthodes performantes, disponibles uniquement dans les Très Grandes Installations de Recherche (TGIR) comme l'ILL, seront utilisées pour sonder la dynamique hors-équilibre des phonons. Enfin, nous renforcerons nos collaborations existantes avec des théoriciens.
Le sujet de thèse porte sur le mouillage, les effets thermiques macroscopiques, la dynamique des phonons et le transport liquide.
Références:
1. A. Zaccone, K. Trachenko, “Explaining the low-frequency shear elasticity of confined liquids" PNAS, 117 (2020) 19653–19655. Doi:10.1073/pnas.2010787117
2. E. Kume, P. Baroni, L. Noirez, “Strain-induced violation of temperature uniformity in mesoscale liquids” Sci. Rep. 10 13340 (2020). Doi: 10.1038/s41598-020-69404-1.
3. M. Warburton, J. Ablett, P. Baroni, JP Rueff, L. Paolasini, L. Noirez, “Identification by Inelastic X-Ray scattering of bulk alteration of solid dynamics due to Liquid Wetting”, J. of Molecular Liquids 391 (2023) 123342202.
Intégration des Nanotubes de carbone alignés dans les batteries sans anode : mécanisme et optimisation des cellules
Les batteries sans anode ou à anode libre suscitent un intérêt croissant en raison de leur excellente densité énergétique, de leur faible coût et de la facilité de mise à l’échelle de leur procédé de fabrication. L’exploration des batteries sans anode pourrait offrir une avancée majeure dans le domaine du stockage de l’énergie, en utilisant la réserve de lithium déjà présente dans la cathode NMC pour effectuer des cycles réversibles après un processus de formation initial. Cette approche permettrait de réduire l’épaisseur globale, le nombre d’étapes de traitement et le coût des matériaux, tout en offrant une excellente densité énergétique. Les nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNTs) sur des substrats métalliques peuvent représenter un choix intéressant pour cette application en raison de leur faible épaisseur, de la reproductibilité de leur processus de synthèse et de leurs propriétés de surface uniformes, qui ont déjà démontré leur intérêt applicatif dans le domaine des supercondensateurs. Dans ce projet de doctorat, nous explorerons une nouvelle voie d’application : les batteries sans anode, où les VACNT servent de substrat de dépôt pour le lithium ou le sodium. Nous étudierons l’électrochimie des VACNTs dans les batteries lithium sans anode (avec électrolytes liquides et solides) ainsi que dans les batteries sodium sans anode avec électrolyte liquide. Le doctorant travaillera sur l’optimisation de la synthèse des VACNTs afin d’ajuster leur épaisseur et leur densité pour les adapter à leurs propriétés électrochimiques. Des études post-cyclage (Raman et MEB) seront menées afin d’analyser l’effet du cyclage et des électrolytes sur les couches de VACNTs. L’objectif du projet est d’explorer les opportunités d’application des VACNTs dans divers systèmes de stockage d’énergie, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives d’utilisation et de valorisation.
Étude de l’interaction matière-lumière structurée : role des moments angulaires de la lumière et de la chiralité locale en régime attoseconde
Les progrès récents de l’optique ultra-rapide et la maîtrise d’interactions lumière-matière extrêmement non linéaires permettent aujourd’hui de générer des impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10?¹8 s) via la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE). Ce processus convertit une impulsion laser femtoseconde en un rayonnement cohérent et ultrabref dans l’extrême ultraviolet (XUV, 10–150 eV). Ces sources uniques permettent d’accéder aux dynamiques électroniques à des échelles sub-femtosecondes et de sonder des transitions spécifiques à chaque élément, auparavant accessibles uniquement sur des installations comme les synchrotrons. Le groupe Attophysique du LIDYL, pionnier dans la génération, la caractérisation et l’utilisation d’impulsions attosecondes, a récemment développé des sources pilotées par des faisceaux portant un moment angulaire de spin (MAS) ou orbital (MAO), ouvrant la voie à l’étude de dynamiques chirales et magnétiques. En combinant ces avancées, cette thèse vise à synthétiser des champs lumineux dont la chiralité varie dans le temps et l’espace, en exploitant notamment la composante longitudinale du champ électrique. Trois régimes seront étudiés : linéaire (pompe-sonde XUV/IR), fortement non linéaire (champs structurés visibles-IR dans des milieux chiraux) et faiblement non linéaire (pompe IR/sonde XUV). Ces travaux ouvriront une nouvelle classe d’expériences en physique attoseconde, combinant exploration fondamentale et applications émergentes.
L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.
Pour plus de détails: https://iramis.cea.fr/lidyl/pisp/150720-2/
Couplages photo et thermocatalytiques d’esters pour la synthèse d’alcènes biosourcés
L'accès facilité à l'énergie et aux matières premières carbonées offert par les ressources fossiles a permis une croissance rapide de la société. Néanmoins, l'épuisement attendu des ressources fossiles et le changement climatique exigent de se tourner vers un modèle plus durable. Les matières premières biosourcées sont une source prometteuse de carbone pour remplacer les produits pétrochimiques, mais elles nécessitent un changement radical du modèle actuel. Alors que le paradigme actuel repose sur la production d'énergie et de molécules organiques à haute valeur ajoutée par des étapes d'oxydation, un modèle basé sur l'économie circulaire du carbone, c'est-à-dire la transformation du CO2 et de la biomasse qui sont déjà des matériaux fortement oxydés, requiert le développement de nouvelles méthodologies de réduction, de désoxygénation et d'utilisation directe de liaisons oxygénées pour accéder à des molécules organiques fonctionnalisées et utiles.
En chimie organique, les réactions de couplage croisé représentent l'un des principaux outils permettant de créer des liaisons C–C. Cependant, elles reposent encore aujourd’hui principalement sur l'utilisation d'halogénures organiques comme électrophiles. Dans ce projet, le doctorant aura pour objectif de démontrer que les esters d'alkyle, facilement disponibles et abondants, peuvent servir d’électrophiles dans les réactions catalytiques de couplage croisé avec les alcènes. Les esters peuvent en effet être directement biosourcés ou facilement synthétisés à partir d'acides carboxyliques et d'alcools, diminuant ainsi l'impact environnemental de la formation de la liaison carbone-carbone.
MÉCANISMES LIMITANT LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE DANS LES OXYDES DE TERRES RARES
Comprendre les paramètres qui déterminent l'amplitude de la conductivité thermique (k) dans les solides présente un intérêt à la fois fondamental et technologique. k est sensible à toutes les quasi-particules transportant de l'énergie, et en particulier aux phonons,vibrations collectives des atomes dans les cristaux. Cependant, les mesures de k ont également permis d'identifier des porteurs de chaleur plus exotiques, comme les spinons dans la chaîne ntiferromagnétique de Heisenberg. En termes d'applications, les propriétés thermiques des solides sont au coeur d'enjeux sociaux et environnementaux majeurs. La nécessité, par exemple, de disposer de dispositifs thermoélectriques et de barrières thermiques efficaces pour économiser l'énergie a ainsi motivé la recherche de barrières thermiques présentant une k faible. Toute une série de stratégies ont été proposées pour réduire la vitesse des phonons et/ou leur libre parcours
moyen : utilisation de liaisons interatomiques faibles, forte anharmonicité, nanoconception, structures cristallines complexes ou partiellement désordonnées, etc...Cependant, un autre concept prometteur pour réduire davantage le libre
parcours moyen des phonons est basé sur un autre mécanisme, le couplage magnéto-élastique.
Ce concept est né récemment de l'observation d'un couplage spin-phonon dans différents oxydes de terres-rares. Les excitations magnétiques impliquées dans le couplage magnéto-élastique à l'oeuvre dans ces composés ne sont pas des magnons classiques, mais des excitations de champ cristallin (CEF) à faible énergie. Comme ces dernières sont des excitations électroniques locales, elles ne se dispersent pas et ne peuvent donc pas être associées à des quasi-particules se propageant. En d'autres termes, elles ne sont pas des vecteurs de chaleur potentiels et ne contribuent donc pas à k. Cependant, elles peuvent réduire considérablement la durée de vie des phonons par l'intermédiaire d'un nouveau mécanisme de diffusion.
L'objectif de cette thèse de doctorat est donc d'étudier, tant sur le plan expérimental que théorique, le couplage magnéto-élastique et son impact sur la conductivité thermique. Les systèmes étudiés seront (sans s'y limiter) les pérovskites de Tb et comprendront des compositions à haute entropie ou à stabilisées par entropie, présentant une conductivité thermique très faible.
PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DANS LES RÉSEAUX OCTOCHLORES
Ces dernières années, les progrès réalisés dans le domaine des aimants frustrés ont conduit à l'émergence de concepts innovants,notamment de nouvelles phases de la matière. Ces dernières ne présentent aucun ordre à longue portée (aucune rupture de symétrie, mais, dans les systèmes classiques, elles correspondent à un état fondamental hautement dégénéré. Un exemple emblématique est celui de la glace de spin dans les pyrochlores : dans ce cas, la construction des configurations dégénérées repose sur une règle simple,qui stipule que la somme des quatre spins dans tout tétraèdre du réseau magnétique doit être nulle. Cette règle dite « règle de la glace » peut être comprise comme la règle de conservation d'un champ de jauge émergent. La preuve expérimentale de cette physique a été fournie par l'observation de points singuliers dans la fonction de corrélation spin-spin lors d'expériences de diffusion élastique des neutrons. Ces points singuliers, appelés points de pincement (pinch-points), apparaissent parce que les corrélations du champ émergent sont de nature dipolaire, avec des corrélations spin-spin algébriques.
L'origine de cette physique réside dans la conjonction entre la connectivité du réseau, l'anisotropie et les interactions magnétiques, qui concourent à sélectionner des configurations où une contrainte locale entre les spins est préservée. Récemment, plusieurs auteurs ont proposé une généralisation de ce concept à d'autres géométries et d'autres contraintes, comme par exemple le réseau « octochlore », formé d'octaèdres partageant leurs sommets. En fonction de la contrainte choisie, différents liquides de spin ont été prédits théoriquement.
Une réalisation expérimentale du réseau octochlore peut être trouvée dans les fluorures de terres rares KRE3F10, dont la structure cristalline forme un réseau de petits et grands octaèdres RE joints par les sommets. La physique des composés KRE3F10 est encore très mal connue, avec seulement quelques articles sur des mesures de magnétisation effectuées il y a deux décennies. L'objectif de ce travail de doctorat sera donc de caractériser l'état fondamental de deux membres 'Kramers' du système KRE3F10 (RE = Dy3+, Er3+), afin d'identifier en particulier toute signature de la physique des liquides de spin suggérée par les travaux théoriques récents, et de mieux comprendre les contraintes qui y conduisent.
Recyclage chimique de déchets plastiques oxygénés et azotés par des voies de réduction catalytique
Depuis la fin de la seconde guerre mondiale, le recours aux plastiques pétrosourcés a favorisé l’émergence d’un modèle de consommations axé sur l’utilisation de produits jetables et la production mondiale de plastiques atteint désormais468 millions de tonnes par an. Ces plastiques, non biodégradables, sont à l’origine de nombreuses pollutions environnementales. Depuis les années 50, seulement 9 % de ces déchets ont fait l'objet d'un processus de recyclage. La majorité a été incinérée ou stockée en décharge. Dans le contexte actuel de cette économie linéaire, les enjeux sanitaires, climatiques et sociétaux rendent indispensable une transition vers une approche circulaire des matières. Cette évolution implique le développement de voies de recyclage à la fois efficaces et robustes. Alors que les voies de recyclage actuelles les plus répandues sont principalement des procédés mécaniques qui s’appliquent à des gisements particuliers de déchets, comme les bouteilles en plastique PET, le développement de méthodes chimiques de recyclage semble prometteur pour traiter des déchets dont les filières de recyclage sont inexistantes. Ces procédés chimiques innovants permettent de récupérer la matière carbonée des plastiques pour en produire de nouveaux.
Le projet doctoral vise à développer de nouvelles voies de recyclage chimique de déchets plastiques mixtes oxygénés/azotés tels que les polyuréthanes (mousses d’isolement, matelas, etc.) et les polyamides (fibres textiles, etc.), dont les filières de recyclage sont quasi inexistantes. Ce projet repose sur une stratégie de dépolymérisation catalytique de ces plastiques, par coupures sélectives des liaisons carbone-oxygène et/ou carbone-azote, pour former les monomères ou leurs dérivés correspondants. Pour ce faire, des systèmes catalytiques mettant en jeu des catalyseurs métalliques couplés à des réducteurs abondants et peu coûteux seront développés, et nous chercherons à comprendre leur mode de fonctionnement.
Électrodes positives composites dans les batteries à l’état solide : influence du procédé de fabrication sur les performances électrochimiques
Le développement de batteries tout solide (SSBs) à haute densité énergétique et à faible coût est essentiel pour l’adoption à grande échelle des technologies de stockage d’énergie de nouvelle génération. Parmi les différents candidats pour la cathode, le LiFePO4 (LFP) et le LiFe1??Mn?PO4 (LFMP) offrent des avantages en termes de sécurité et de coût, mais présentent des tensions de fonctionnement faibles et une cinétique limitée comparées aux oxydes lamellaires riches en nickel tels que le LiNi0.85Mn0.05Co0.1O2 (NMC85). Afin d’équilibrer densité énergétique, puissance et stabilité, ce projet de thèse vise à développer des cathodes composites combinant LFMP et NMC85 dans des proportions optimisées pour des configurations tout solide utilisant des électrolytes à base de soufre (Li6PS5Cl). Nous examinerons l’influence des méthodes de fabrication — notamment la préparation des électrodes faites à partir d’encres et l’optimisation du couple liant–solvant — sur les performances électrochimiques et structurales obtenues. Des caractérisations approfondies operando et in situ (XRD, Raman et RMN) seront menées afin d’élucider la diffusion du lithium, les mécanismes de transition de phase et le comportement rédox au sein des systèmes composites. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et des méthodes de titration permettront de quantifier la cinétique du lithium à différents états de charge. En corrélant les conditions de fabrication, la microstructure et le comportement électrochimique, ce projet vise à identifier les compositions de cathodes et les stratégies de fabrication optimales pour des SSBs performantes et industrialisables. Au global, le projet vise à fournir une compréhension complète des relations structure–propriété dans les cathodes composites, ouvrant la voie à des batteries tout solide pratiques offrant une sécurité, une stabilité et une rentabilité accrues.