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Les sujets de thèses

Dernière mise à jour : 24-07-2017

9 sujets IRAMIS

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• Matière molle et fluides complexes

 

Dissipation, cascades et singularités en turbulence

SL-DRF-17-0173

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Bérengère DUBRULLE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

La turbulence est un état atteint par la majeure partie des fluides dans des conditions “extrêmes” -fortes vitesses ou températures, grande taille du système-. Elle se manifeste dans de nombreux domaines industriels (turbines), aéronautiques (avions, fusées), géophysiques (atmosphère, océan) ou astrophysiques (étoiles, galaxies). Comprendre les phénomènes de turbulence constitue donc un enjeu scientifique, technologique et économique important. Soumis à une agitation mécanique, un fluide visqueux convertit le travail appliqué en chaleur via un processus complexe: son écoulement se structure en mouvements tourbillonnaires qui se ramifient sur plusieurs échelles allant de la taille du système (océan, lac, récipient,…) à l'échelle la plus fine, fonction de la viscosité. L’énergie injectée dans le fluide est finalement dissipée par effet de viscosité. Depuis près de 80 ans, on décrit ce processus par un modèle de cascade auto-similaire, dû a Kolmogorov. Ce modèle sert de base à presque tous les modèles actuels de turbulence, et permet de reproduire extrêmement bien la majeure partie des grandes échelles des écoulements turbulents. Cependant, ce modèle devient de plus en plus mauvais au fur et à mesure que l'on descend vers les petites échelles, et ne permet pas de comprendre le comportement très intermittent de la dissipation d'énergie. Cela limite considérablement la modélisation des processus impliquant la turbulence à petite échelle, comme la combustion (problème pour simuler les moteurs) ou la condensation de gouttes (problème pour simuler la pluie en météo ou en climat).

Le but de la thèse est de tester une nouvelle description de la cascade d'énergie, basée sur l'hypothèse que la turbulence contient des singularités dans la limite de la viscosité tendant vers zéro. La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l'existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7, 12466 (2016)). Ces évènements ne sont pas décrits par le modèle de Kolmogorov, et pourraient servir de base à de nouvelles modélisations plus fidèles à petite échelle.



Nous proposons dans cette thèse une étude détaillée des processus de cascade et de dissipation d'énergie en utilisant le code SFEMaNS, qui sera testé par comparaisons avec les mesures expérimentales. Ce code utilise des éléments finis et une décomposition spectrale ainsi que des méthodes avancées de pénalisation, pour reproduire fidèlement l'expérience de laboratoire utilisée au SPEC

Effets thermoélectriques dans les ferrofluides

SL-DRF-17-0010

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

SAWAKO NAKAMAE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

SAWAKO NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Directeur de thèse :

SAWAKO NAKAMAE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087538

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/sawako.nakamae/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX

Aujourd’hui, une grande part de l’énergie utilisée dans les processus industriels, entre 20 et 50%, est inutilement perdue en "chaleur fatale" sans être réutilisée. Jusqu’à 60-70% de l’énergie dans les moteurs à combustion interne est tout simplement relâchée dans l’atmosphère. Dans ce contexte, la récupération et la transformation en énergie électrique ou mécanique d’une partie de la chaleur fatale représente un enjeu important pour réduire la consommation globale.



Lorsqu'on chauffe un barreau conducteur à une extrémité, les électrons acquièrent de l'énergie cinétique et diffusent vers la partie froide. Les ions positifs par contre restent immobiles et il en résulte un déséquilibre de charge d'où l'apparition d'un champ électrique et d'un potentiel électrique dV proportionnel à la différence de température dT : dV=-SdT. Le facteur de proportionnalité S est appelé "coefficient Seebeck". Ceci fournit un schéma de principe à la conversion d'énergie thermique en énergie électrique (effet Seebeck) ou réciproquement (effet Peltier). Dans les deux cas, le rendement est une fonction croissante du "facteur de mérite" ZT=(S^2/Rho*Lambda)T où Rho et Lambda désignent respectivement les conductivités électrique et thermique du matériau. L'effet thermoélectrique dans des liquides conducteurs tels que les liquides ioniques, les solutions colloïdales chargées, etc., font l'objet de nombreuses études à cause de leur coefficient Seebeck très élevé. L’origine de la valeur élevée du coefficient Seebeck n’est pas encore complètement comprise. De possibles interprétations sont que le coefficient Seebeck croît avec l'entropie transportée par les ions et par les particules colloïdales chargées et que les macro-ions ou particules colloïdales chargées sont adsorbées à la surface des électrodes en créant un effet de double couche électrique (très élevé, à enlever).



Dans ce stage, nous proposons l'étude expérimentale des propriétés thermoélectriques de fluides complexes (e.g., liquides ioniques, ferrofluides (solutions colloïdales de nanoparticules magnétiques) afin de faire progresser notre compréhension sur l’origine physique de ce phénomène et d’identifier les nouveaux matériaux thermoélectriques dans le domaine du stockage de l'énergie (générateur thermoélectrique et supercondensateurs.). Le travail expérimental fera appel aux techniques de mesure du transport thermoélectrique et électrique, à la mesure de la charge thermoélectrique, à la caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique) ainsi que à l'acquisition automatisée des données et à l’interprétation des mesures.

Etude biophysique de la dynamique de la conformation de la chromatine au cours de la réplication du génome

SL-DRF-17-0936

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)

Saclay

Contact :

Frédéric GOBEAUX

Patrick GUENOUN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-11-2017

Contact :

Frédéric GOBEAUX

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS

01 69 08 24 74

Directeur de thèse :

Patrick GUENOUN

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS

01-69-08-74-33

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/frederic.gobeaux/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lions/

L’organisation tridimensionnelle du génome et sa dynamique dans des cellules vivantes sont déterminantes pour ses fonctions. Il est crucial de les comprendre et d’identifier les paramètres qui la contrôlent. L’état de l’art actuel permet d’appréhender l’organisation à courte portée (<10 nm) et à longue portée (>250 nm) de la chromatine dans le noyau. Cependant, il existe une zone intermédiaire (10-250 nm) où l’organisation spatiale de la chromatine est mal identifiée. Cette zone correspond précisément à la taille des complexes protéiques qui modifient la chromatine pour permettre la duplication du génome.

Nous étudierons par diffusion des rayons X des cultures cellulaires au cours de la duplication du génome. Grâce à un montage expérimental adapté nous mesurerons la dynamique de la conformation de la chromatine lors de la duplication du génome et compléterons cette analyse par des simulations numériques (dynamique moléculaire) afin de corréler la dynamique de la chromatine avec celle de la duplication du génome. Nous étudierons différents types cellulaires pour tester la généralité de nos observations.

Ce projet est en collaboration entre une équipe de physique et une équipe de biologie et comportera pour l'étudiant des aspects des deux disciplines.

Etude tridimensionnelle de la déstabilisation des écoulements

SL-DRF-17-0528

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Gilbert ZALCZER

Romain Monchaux

Date souhaitée pour le début de la thèse :

Contact :

Gilbert ZALCZER

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169083164

Directeur de thèse :

Romain Monchaux

ENSTA Paristech - IMSIA

01.69.31.97.66

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=zalczer

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

Les écoulements des liquides soumis à une sollicitation ont toujours été un sujet d'étonnement et de fascination, par la diversité des effets observés. Un écoulement simple à faible sollicitation se complique progressivement quand la vitesse augmente, passe par plusieurs transitions avant d'atteindre un état turbulent.



Grâce aux nouvelles techniques d'imagerie rapide et de contrôle de faisceaux laser, il semble désormais possible d'établir de façon "instantanée" des champs des 3 composantes de la vitesse dans l'ensemble du volume d'un écoulement au-delà de la déstabilisation de l'écoulement laminaire. Nous avons déjà réalisé des mesures en volume de 2 composantes de la vitesse, mais même pour l'écoulement de base, la reconstruction d'un champ de vitesses à partir de ces données a été impossible. Des expériences préliminaires ont laissé espérer la possibilité par stéréoscopie de détecter également la troisième composante de la vitesse. Le travail expérimental consistera en un premier temps à regrouper ces éléments techniques en un montage opérationnel puis étudier la large gamme des écoulements perturbés.

Influence des conditions aux limites sur les états stationnaires d'un système hors équilibre

SL-DRF-17-0968

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Bérengère DUBRULLE

Christophe GOUPIL

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2017

Contact :

Bérengère DUBRULLE

CNRS - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

0169087247

Directeur de thèse :

Christophe GOUPIL

Paris-Diderot (Paris 7) - LIED

0157276133

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/berengere.dubrulle/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/sphynx/

Voir aussi : http://www.lied-pieri.univ-paris-diderot.fr/?lang=fr

Les états d’équilibre d’un système classique à courte portée maximisent l’entropie thermodynamique et sont indépendant de l’ensemble considéré : ils sont les mêmes si on fixe l’énergie (ensemble micro-canonique) ou la température (ensemble canonique). Dans un système avec interactions à longue portée, les états d’équilibre ne sont plus universels, et peuvent dépendre de la façon dont on fixe les variables thermodynamiques qui décrivent le système. Ce phénomène, appelé « inéquivalence d’ensemble », est maintenant bien compris et relié aux propriétés de concavité de l’entropie.

De façon surprenante, il semble exister un phénomène similaire pour les états stationnaires de certains systèmes hors-équilibre : par exemple, dans un écoulement turbulent tourbillonnaire, il a été prouvé récemment que les états stationnaires observés dans une situation où le moment cinétique est fixé sur les bords, diffèrent des états stationnaires où le flux de moment cinétique est fixé sur ces bords. De la même manière, la façon dont se dissipe l’énergie mécanique n’est pas la même dans un écoulement convectif selon qu’on force avec une température fixée, ou avec un flux fixe. Des signatures semblables sont aussi observées et prédites dans des systèmes thermoélectriques, qui peuvent servir de systèmes modèles. En l’absence de théorie bien établie gouvernant la dynamique des systèmes hors équilibre, il n’existe pas à l’heure actuelle de compréhension de ces deux observations, ni a fortiori de prédiction concernant la généralité de ce phénomène : les états stationnaires d’un système hors équilibre sont-ils universels ou dépendent-il de si on les force à l’aide d’un stock, ou par un flux ’ L’enjeu de cette question n’est pas seulement théorique. Il existe en effet de nombreux systèmes hors équilibre autour de nous dont on aimerait prédire le comportement lors d’un changement de conditions aux limites : par exemple, comment se transformera notre économie lorsque qu’on basculera d’un système où l’énergie est fournie par un stock (énergie fossiles), vers un système où l’énergie est fournie par un flux (énergies renouvelables).

Le but de la thèse est d’apporter des éléments de réponse à ces questions en utilisant notamment des modèles jouets de systèmes hors-équilibres (circuits électriques, modèle ASEP ou ZRP,…). On s’attachera dans un premier temps à comprendre et à formaliser la sélection des états stationnaires, en utilisant notamment des outils récents de systèmes dynamiques et de théorie des systèmes stochastiques. On essaiera dans un deuxième temps d’appliquer ces résultats à deux écoulements de laboratoire étudiés au LIED et au SPEC (cf. Figure), ainsi qu’à un modèle simplifié d’échange économiques sous contrainte énergétique.

Mesures optiques de la dissipation et des flux d’énergie dans des écoulements turbulents

SL-DRF-17-0878

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)

Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXes (SPHYNX)

Saclay

Contact :

Sébastien AUMAÎTRE

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Sébastien AUMAÎTRE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

01 69 08 74 37

Directeur de thèse :

Sébastien AUMAÎTRE

CEA - DRF/IRAMIS/SPEC/SPHYNX

01 69 08 74 37

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/sebastien.aumaitre/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/spec/SPHYNX/

L'objectif de cette thèse est d'étudier les fluctuations de puissances dans les écoulements turbulents. Les approches classiques ont déjà montré que la stationnarité des écoulements turbulents, qui impose l'égalité des puissances moyennes injectées à grande échelle et dissipée aux petites échelles, contraint le spectre des vitesses. Mais pour aller au-delà et expliquer la complexité et l'intermittence des écoulements turbulents, on peut s'intéresser aux propriétés statistiques des fluctuations des puissances mises en jeu dans les écoulements. Notamment on peut espérer mettre en évidence les corrélations entre puissance injectée et dissipée qu'impose la stationnarité et explorer leurs conséquences sur la structure de l’écoulement. Le défi expérimental sera d'estimer les fluctuations de puissance dissipée car cela nécessite une mesure fine des gradients de vitesse sur tout le volume de l'écoulement. Pour y parvenir, nous souhaiterions développer des mesures optiques de diffusion multiple couplées à l'acquisition d'image ultra-rapide. On complètera cette méthode innovante avec des mesures plus classiques afin de mesurer simultanément la puissance injectée et de chartériser la structure de l'écoulement.

Migration des additifs au cours de la formation des membranes polymère – analyse expérimentale et numérique des mécanismes de séparation de phase en présence d’additifs

SL-DRF-17-0837

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)

Saclay

Contact :

Patrick GUENOUN

Denis BOUYER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-11-2017

Contact :

Patrick GUENOUN

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS

01-69-08-74-33

Directeur de thèse :

Denis BOUYER

Université Montpellier 2 - IEM, UMR 5635

04 67 14 91 20

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/patrick.guenoun/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/LIONS/

Ce projet de thèse vise à acquérir une meilleure compréhension des phénomènes de structuration des membranes poreuses, via un couplage entre une étude de modélisation numérique et une analyse expérimentale de microscopie optique. Les deux objectifs majeurs du projets consisteront (i) d’une part à mieux prédire la morphologie des membranes en fonction des paramètres du procédé et de la formulation, (ii) et d’autre part à mieux comprendre les phénomènes de migration des additifs utilisés dans l’élaboration des membranes polymères.

La simulation de la séparation de phase sera effectuée en plusieurs étapes à partir du modèle de Cahn et Hilliard (approche simplifiée, intégration des phénomènes diffusifs non linéaires, couplage avec le transport convectif). L’analyse expérimentale sera réalisée par microscopie optique laser confocale ; elle permettra de suivre la répartition d’un additif dans la structure polymère en formation.

En tant qu’outil prédictif, le modèle permettra de définir un jeu de paramètres opératoires idoines en fonction de la morphologie membranaire souhaitée et d’aider à optimiser la quantité d’additifs ajoutée. L’analyse des phénomènes de migration des additifs au cours de la séparation de phase et au sein de la structure membranaire formée permettra de mieux prédire les performances des membranes à moyen et long terme.

Métamateriaux auto-assemblés à base de copolymères à blocs

SL-DRF-17-0814

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)

Saclay

Contact :

Patrick GUENOUN

Virginie PONSINET

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-11-2017

Contact :

Patrick GUENOUN

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS

01-69-08-74-33

Directeur de thèse :

Virginie PONSINET

CNRS - Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP)

+33(0)5 56 84 56 25

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/patrick.guenoun/index.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lions/

Les métamatériaux sont des matériaux "artificiels" qui sont créés pour atteindre des propriétés inaccessibles aux matériaux homogènes naturels. Ainsi en est-il de propriétés optiques comme des indices de réfraction négatifs qui peuvent être atteints par une structuration des métamatériaux à une échelle inférieure à celle de la longueur d’onde de la lumière . Dans ce travail de thèse, nous atteindrons une telle structuration (nanostructuration) en combinant l’auto-assemblage de copolymères sur des surfaces et l’insertion dans cet auto-assemblage de nanoparticules d’or. La matrice de copolymères fournit la nanostructuration à l’échelle et la géométrie voulue tandis que la présence d’or confère les propriétés optiques attendues. Cette thèse en collaboration entre le LIONS au CEA Saclay et le Centre de recherche Paul Pascal à Bordeaux bénéficiera des deux environnements pour mener une étude expérimentale qui consistera à préparer des surfaces, où des phases cylindriques ou bicontinues de copolymères seront orientées perpendiculairement au substrat. Après synthèse au laboratoire et insertion des nanoparticules d’or dans les structures, les propriétés optiques du matériau obtenu seront mesurées et analysées en vue de les modéliser.

Nouvelles propriétés des liquides: corrélations solides & rôle de l’interaction fluide/substrat.

SL-DRF-17-0974

Domaine de recherche : Matière molle et fluides complexes
Laboratoire d'accueil :

Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

Groupe Diffraction Monocristaux (GDM)

Saclay

Contact :

Laurence NOIREZ

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Laurence NOIREZ

CNRS-UMR 12 - LLB01/Laboratoire de Diffusion Neutronique

01 69 08 63 00

Directeur de thèse :

Laurence NOIREZ

CNRS-UMR 12 - LLB01/Laboratoire de Diffusion Neutronique

01 69 08 63 00

Voir aussi : Laboratoire Léon Brillouin

Selon le modèle de Maxwell, les liquides ne sont supposés présenter de réponse élastique (solide) que s’ils sont sollicités à suffisamment haute fréquence. De récents développements expérimentaux menés au Laboratoire Léon Brillouin montrent qu’il est maintenant possible de mesurer une élasticité également à basses fréquences, autrement dit les molécules de liquide ne sont pas dynamiquement libres mais corrélées à longue portée [1-3]. La découverte d’une élasticité de cisaillement est une observation majeure puisqu’elle remet en question un quasi-dogme en dynamique des liquides, l’écoulement d’un fluide n’est donc plus lié au temps de relaxation moléculaire. L'élasticité de cisaillement est un paramètre nouveau dans les liquides qui demande à revisiter les modèles hydrodynamiques et la rhéologie classique et permet de mettre en évidence de nouveaux phénomènes comme l’identification d’un régime de froid induit par l’écoulement [4]. Des collaborations avec plusieurs équipes nationales et internationales (Inst. de Physique du Mans, Univ. Cambridge, TU Berlin) sont déjà en place.

Les conséquences pratiques sont nombreuses dans divers domaines d'application faisant intervenir des mécanismes interfaciaux (adhésion, moulage, lubrification, revêtement, fluidique, instabilités d'écoulement) et permettent de prévoir de nouveaux effets comme opto-actionneurs à faible énergie. L'étudiant de doctorat bénéficiera en outre de collaborations internationales notamment avec des théoriciens.



Références:

1. Noirez L, Mendil-Jakani H and Baroni P 2009 The missing parameter in rheology: hidden solid-like correlations in viscous liquids, polymer melts and glass formers, Polym. Int. 58 962

2. Noirez L and Baroni P Identification of a low frequency elastic behavior in Liquid Water, J. of Physics: Condensed Matter 24 (2012) 372101.

3. Kahl P., Baroni P., Noirez L., Bringing to Light Hidden Elasticity in the Liquid State using in-situ Pretransitional Liquid Crystal Swarms PloS One 2016.

4. P. Baroni, P. Bouchet, L. Noirez, Highlighting a Cooling Regime in Liquids under Submillimeter Flows, J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 2026.



 

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