Nouvelles membranes à base de nanofeuillets bidimensionnels
Ce projet de thèse vise à exfolier de nouvelles architectures nanostructurées à bases de phases inorganiques bidimensionnelles. Ces nanostructures seront conçues pour des dispositifs de filtration et testées sur notre plateforme microfluidique. L'application visée est la purification de l'eau et la séparation sélectives des ions métalliques. Le doctorant interagira avec des chimistes, des physiciens et des électrochimistes dans un véritable environnement pluridisciplinaire, sur un sujet de recherche fondamentale directement connecté à des besoins applicatifs. Ainsi, lors de sa thèse l’étudiant sera exposé à un environnement pluridisciplinaire et amené à réaliser des expériences dans des domaines variés tels que la chimie inorganique, la physico-chimie, la micro/nano-fabrication et les méthodes de nano-caractérisation. Dans ce contexte, ce projet devrait potentiellement aboutir à des retombées sociétales significatives.
Pour la réalisation de ces dernières, il aura accès à une gamme très large et variée d’équipements allant du microscope optique au synchrotron de dernière génération (ESRF), en passant par les microscopes à effet de champs ou électroniques et les galvanostats.
Cette thèse est donc une excellente opportunité de croissance professionnelle tant d’un point de vue de vos connaissances, que de vos savoir-faire.
Métamatériaux multiéchelles à base de composites polymères biosourcés 3D-imprimés
La réduction de la densité des matériaux est une des voies privilégiées pour réduire notre empreinte énergétique. Une des solutions consiste à remplacer les matériaux massifs par des microtreillis. Parmi ceux-ci, les structures d’architecture aléatoire inspirées de la structure osseuse possèdent les meilleurs atouts avec un comportement mécanique isotrope et une tenue mécanique accrues tout en répondant aux enjeux de l’économie circulaire et à l'adaptation au changement climatique. Peu consommateurs de matière, ces métamatériaux sont fabriqués par impression 3D et peuvent être compactés en fin de vie. Parmi toutes les technologies de fabrication, l’impression par polymérisation UV de résine liquide organique ou de composite est la plus prometteuse. Elle permet d’obtenir des matériaux résistants mécaniquement, sans générer de déchet de fabrication. Il est en outre possible d’y inclure de forte quantité de charge biosourcées réduisant encore leur impact environnemental.
La thèse proposée ici consiste à mettre au point l’impression de structures en microtreillis composites, depuis la formulation de la résine composite jusqu’à l’étude des propriétés mécaniques (viscoélasticité, limite élastique et résistance à la rupture) en passant par l’étape d’impression et de post-traitement. D’un point de vue plus fondamental, il s’agira d’étudier le lien entre la composition, la forme et les propriétés de surface des charges d’une part, et les propriétés d’imprimabilité de la résine et la réponse mécanique du métamatériau résultant d’autre part. La thèse se focalisera sur l’étude de charge de type cellulose sous forme de nanoparticule, microparticule ou fibre.
Par cette étude multidisciplinaire allant de la molécule chimique à la physique statistique, il s’agira de faire le lien entre la science et la technologie et créer les données de base à un jumeau numérique. Ceci permettra de mieux appréhender l’ensemble des processus et fournira des données de base sur les propriétés d’élasticité et résistance à la rupture qui serviront de socle à la modélisation numérique pour la génération accélérée de nouveaux matériaux.
Modélisation multiéchelle physico-chimique de la coalescence
Le recyclage des métaux par voie hydrométallurgiques est nécessaire pour assurer à la fois le développement des nouvelles technologies de l'énergie et la pérennité du cycle électronucléaire. Les procédés industriels qui y interviennent, comme l’extraction liquide-liquide, mettent en jeu des écoulements de deux fluides sous agitation dont les interfaces se forment et se déforment. La coalescence des gouttes joue ainsi un rôle très important. La modélisation de ces systèmes diphasique complexes intervenant lors de l’extraction doit ainsi prendre en compte au mieux ce phénomène. Nous proposons dans cette thèse de décrire pour la première fois la coalescence de gouttes de façon réaliste par une approche à plusieurs échelles pour tenir compte des aspects physicochimiques des phénomènes. Tout d'abord des simulations de dynamique moléculaire permettront de proposer un modèle stochastique où la probabilité de coalescence sera exprimée en fonction des paramètres géométriques (distance et taille des gouttes). Ensuite le rôle des grandeurs physico-chimiques dans le phénomène sera systématiquement décrit (rôle de la tension de surface, de la présence de tensioactifs, des viscosités, etc.). Le but est à terme d’arriver à des simulations de mécanique des fluides numérique (CFD - computational fluid dynamics) dans lesquelles la prise en compte de la coalescence et en particulier de son caractère aléatoire aura été développée et validée par des calculs de dynamique moléculaire réalisés au niveau atomique en tenant compte de la physicochimie de l'interface. Un tel modèle serait une étape majeure vers la prédiction de la cinétique des milieux diphasiques liquides, non seulement dans un contexte d’optimisation des procédés de recyclage, mais aussi pour de nombreuses autres applications.
Profil du candidat : Master Physique - Master Chimie - École d’Ingénieur - ENS. Après sa thèse, le candidat pourra soit poursuivre dans la voie académique, avec une compétence de haut niveau en modélisation, soit s’orienter vers l’industrie en valorisant sa compétence double modélisation et recyclage.
Simulation des nano-objets en milieu biologique
La compréhension des interactions non spécifiques ou spécifiques entre les biomolécules et les nanomatériaux est la clé du développement de nanomédicaments et de nanoparticules sûres. En effet, l'adsorption des biomolécules est le premier processus qui se produit après l'introduction de biomatériaux dans le corps humain ce qui contrôle leur réponse biologique. Dans le cadre de cette thèse, nous entreprendrons la simulation de l'interface nanosystème-biomolécules à l’échelle de la centaine de nanomètres en utilisant les nouveaux moyens de calcul exascale disponibles au CEA à partir de 2025 (machine Jules Verne installée au CCRT).
Nanofluides thermoélectriques pour un capteur de chaleur solaire hybride
Les matériaux thermoélectriques (TE) capables de convertir la chaleur en électricité sont considérés comme une solution possible pour récupérer la chaleur fatale provenant du flux de déchets industriels, de moteurs, d’appareils électroniques ménagers ou de la chaleur corporelle. Depuis plusieurs années, au sein du laboratoire SPHYNX nous explorons les effets thermoélectriques dans les nanofluides ioniques, où des nanoparticules chargées électriquement servent à la fois de porteurs de chaleur et d'électricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures d'un ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font l'objet d'une attention particulière en tant que futurs matériaux TE peu coûteux et écologiques. Alors que les origines précises des phénomènes thermoélectriques dans ces fluides sont encore débattues, nos résultats expérimentaux indiquent que les natures physico-chimiques d’interface particule-liquide y jouent un rôle décisif.
L'objectif du projet de doctorat est double :
- Premièrement, nous étudierons les mécanismes thermodynamiques sous-jacents à la production du potentiel thermoélectrique dans les nanofluides par mesures systématiques du coefficient Seebeck et le courant électrique produit. Il s'agit de la production de l'entropie de transfert d'Eastman de nanoparticules sous les gradients de concentration, de température et de potentiel électrique. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives et absorptions optiques étudiées par ailleurs dans le cadre d'actions de collaboration.
- Deuxièmement, le projet vise à utiliser les fluides plus prometteurs dans les capteurs hybrides solaires-thermoélectriques prototypes développés actuellement et de les optimiser pour démontrer leur capacité à cogénérer chaleur et électricité.
Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place d'un système d'acquisition de données automatisé et l'analyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de l'ingénierie (des dispositifs), ainsi que des connaissances pratiques sur la manipulation des dispositifs de laboratoire sont souhaitées. Des connaissances de base en optique et en électrochimie sont un plus mais pas obligatoires. Pour les étudiants motivés, des simulations numériques utilisant des logiciels CFD commerciaux aussi bien que les mesures d'absorption optique au laboratoire partenaire (LNO/CNR, Florence, Italie) peuvent également être envisagées.
Réponse diélectrique d’un liquide vitrifiable fortement hors équilibre
Les matériaux à l’état vitreux présentent un grand intérêt pratique et on les retrouve dans nombre d’applications : les verres de silice comme matériaux pour la construction ou les transports, les matières plastiques qui sont généralement au moins partiellement vitreuses ou les alliages métalliques vitreux pour des applications de pointe. Or les propriétés physiques de ces matériaux (par exemple la solidité d’un écran de téléphone) dépendent du traitement thermique qu’ils ont reçu au cours de leur formation et plus particulièrement de la vitesse de refroidissement à partir de l’état liquide. Si les procédés industriels de fabrication des verres sont évidemment bien maîtrisés, la nature hors-équilibre thermodynamique de ces systèmes rend particulièrement difficile l’investigation théorique et numérique des mécanismes physiques à l’œuvre. Cela rend nécessaire une approche expérimentale visant à sonder ces mécanismes fondamentaux.
Cette thèse vise à étudier expérimentalement la réponse très hors équilibre de liquides polaires à l’aide d’un dispositif développé récemment au sein du laboratoire permettant d’appliquer à un liquide un changement très rapide de température et de suivre sa dynamique de rééquilibration. Des mesures de réponse linéaire devrait permettre d’en savoir plus sur les mécanismes physiques gouvernant l’équilibration tandis que des mesures non-linéaires renseigneraient sur la nature coopérative des réarrangements structuraux.
Etude expérimentale des couches limites en convection turbulente par spectroscopie multi-diffusive.
Le but de cette thèse est de réaliser la première mesure expérimentale de l’énergie dissipée dans les couches limites en convection turbulente dans la configuration de Rayleigh-Bénard. En effet, des théories affirment que cette quantité contrôle le flux de chaleur transporté de la paroi chaude vers la paroi froide alors même que l’efficacité du transport turbulent en convection fait l’objet de débats. Les propriétés du transport turbulent sont pourtant essentielles à comprendre pour décrire la dynamique du climat et de nombreux objets astrophysiques.
Pour estimer l’énergie dissipée, il faut pouvoir mesurer la norme du gradient des vitesses. Cette quantité est difficilement accessible avec les techniques d’anémométries classique qui mesurent les champs de vitesse avec une résolution limitée. Ces gradients sont également couteux à obtenir numériquement sur des temps longs. Mais nous avons mis au point une technique de mesure directe de la norme des gradients de vitesse grâce à la Spectroscopie par diffusion multiple. Elle nous permettra de mesurer les structures dissipatives et le taux énergie dissipée dans les couches limites
Rhéologie des fontes verrières partiellement cristallisées : de l’acquisition de données expérimentales à la modélisation
La formulation d’un verre de conditionnement de déchets radioactifs résulte d’un compromis entre le taux de charge en déchet, la faisabilité technologique du verre, et sa durabilité chimique. Maximiser le taux de charge en déchet permet de diminuer le nombre de colis vitrifiés produits et par voie de conséquence de diminuer le volume et le coût du stockage. En revanche, l’augmentation de ce taux de charge au-delà d’un certain seuil est susceptible de conduire à la présence de cristaux dans les fours de vitrification. Une telle évolution des formulations verrières nécessite de vérifier entre-autres l’impact de la présence de ces cristaux sur les propriétés du verre lors de son élaboration (à 1100-1200°C), en particulier sa rhéologie, propriété clé pour le bon fonctionnement des fours de vitrification. L’enjeu de la thèse proposée est donc de mesurer puis de modéliser l’effet des cristaux sur la rhéologie, en fonction du temps, de la température, de la nature et de la morphologie des cristaux, et de prendre en compte le risque de sédimentation. Pour ce faire, des données expérimentales devront être acquises, puis modélisées à partir des modèles proposées dans la littérature, qui nécessiteront peut-être une adaptation. Un Master II ou un diplôme d’ingénieur en physico-chimie ou sciences des matériaux est nécessaire.
Impact des ultrasons de puissance sur les propriétés d’écoulement de suspensions complexes
L’industrie nucléaire produit des déchets de diverses natures telles que des solides, des liquides mais aussi des « boues » qui sont issues des procédés de traitement des effluents ou aux résidus de fond de cuve ou de fond de piscine d’entreposage. La nature physico-chimique et l’historique de ces boues font qu’elles présentent un comportement à l’écoulement particulier les rendant parfois difficilement manipulables en amont de leur immobilisation en matrice de conditionnement. Afin de fluidifier ces suspensions de compositions variées l’action mécanique des ultrasons de puissance est envisagée. Il a récemment été montré, grâce à un montage couplant les ultrasons de puissance et la rhéologie, qu’il était possible de fortement diminuer le seuil d’écoulement et la viscosité de la boue en appliquant des ultrasons. Il s’agira dans ce travail de thèse de poursuivre les études engagées (Physico-chimie, microstructure, ultrason et rhéologie) sur des boues reconstituées ou sur des suspensions modèles simplifiées en se focalisant plus spécifiquement sur deux aspects. Le premier, plus fondamental, visera une meilleure compréhension de l’interaction entre les ultrasons de puissance et la matière avec une attention particulière portée sur l’origine des effets observés (interfaces vs volume). Le second volet sera plus appliqué avec le développement de dispositifs expérimentaux originaux à plus grande échelle pouvant générer des écoulements plus proches de situations industrielles.Nous recherchons pour ce travail une personne motivée, sérieuse et curieuse. De part le caractère pluridisciplinaire de ce sujet alliant la physique, la physico-chimie et le développement expérimentale, le candidat pourra valoriser ses compétences dans divers secteurs industriels tels que le nucléaire, le génie civil ou encore le domaine de la dépollution.
Solvants eutectiques pour la lixiviation et la séparation de métaux
La séparation d’éléments chimiques est au cœur des problématiques de l’extraction minière, du recyclage des déchets nucléaires et électroniques et de la dépollution des effluents aqueux. Les procédés hydrométallurgiques de lixiviation et d’extraction liquide-liquide utilisent cependant des volumes considérables d’eaux et de solvants souvent polluants et volatils. Les enjeux environnementaux imposent donc aujourd’hui un défi essentiel pour l’hydrométallurgie.
Les solvants eutectiques hydrophobes sont depuis peu envisagés pour l’extraction de métaux. Ils présentent de nombreux avantages comme une plus faible volatilité, un point éclair plus élevé ainsi que des performances d’extraction améliorées dans certains cas, associés à des mécanismes d’extraction différents vis à vis des diluants classiquement utilisés.
L’objectif de cette thèse sera donc de préparer et de tester des solvants eutectiques hydrophobles (HES) à base de molécules extractantes connues au laboratoire et d’en étudier les propriétés d’extraction liquide-liquide et de lixiviation vis-à-vis de différents métaux, avec un intérêt particulier pour l’extraction de l’uranium issu des mines. Les mécanismes d’extractions dans ces solvants non conventionnels seront abordés en observant finement les effets de complexation et de structuration, afin d’en optimiser les performances. Les propriétés d'extraction de différents métaux et d'uranium seront évaluées par ICP-OES et mises en regard avec les propriétés physico-chimiques et structurales des systèmes (mesures de densité, viscosité, titration acido-basique et Karl Fisher, spectroscopies RMN, IR, tensiométrie, diffusion des rayons X et des neutrons aux petits angles (SAXS, SANS)…).
Profil : Chimiste avec des compétences en chimie-analytique et physico-chimie et des connaissances en
hydrométallurgie.
Expérience acquise : Expérience en chimie séparative ; Conduite de projet de recherche scientifique.
Le/la candidat(e) pourra prétendre à des fonctions de type ingénieur et/ou chercheur dans les domaines de la
chimie et de l’hydrométallurgie.