NIMBE

Nanosciences et Innovation
pour les Matériaux
la Biomédecine
et l'Énergie

La résonance magnétique nucléaire (RMN) du xénon-129 combinée à une hyperpolarisation de spin par pompage optique a récemment donné lieu à une imagerie moléculaire de haute sensibilité et utilisable sur des tissus biologiques profonds. Le laboratoire est un des pionniers dans ce domaine. L'approche consiste à utiliser des systèmes moléculaires capables d'encapsuler de manière réversible le gaz rare. Ces molécules hôtes possèdent une antenne de reconnaissance d’un récepteur biologique ou d’un analyte, et la grande variation de la fréquence de résonance du xénon encapsulé donne lieu à une imagerie spectroscopique de haute sensibilité. Un projet a été récemment financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) avec pour objectif de concevoir des biosondes pour la mesure du pH extracellulaire. La modification locale du pH est un paramètre clé dans différentes pathologies telles que les cancers. A cet effet, l'approche numérique de ce projet de thèse est structurée à différentes échelles avec pour objectifs de calculer le déplacement chimique du xénon dans les édifices hôtes, de comprendre son origine et de développer des modèles prédictifs (mécanique quantique relativiste) mais aussi de simuler les phénomènes d’échanges du xénon (dynamique moléculaire classique et ab initio), influant directement sur la sensibilité de la mesure RMN.

Les batteries Li-ion sont aujourd'hui très largement utilisées dans notre vie courante. Toutefois l'utilisation d'électrolytes liquides pose de nombreux problèmes en terme de performances et de sécurité. L'approche de batteries "tout solide" est une voie prometteuse pour répondre à ces enjeux. Dans ce contexte, de nombreux matériaux sont actuellement étudiés comme électrolytes solides performants. Parmi ceux-ci, les céramiques de type grenat Li7La3Zr2O12 (LLZO) dopées (Al3+, Ga3+, Nb5+, Ta5+, ...) figurent parmi les meilleurs candidats.



Cette thèse a pour objectif de développer des outils et méthodologies de simulation numériques afin d'étudier la mobilité et la diffusion du lithium dans les céramiques de type LLZO à différentes échelles temporelles en combinant, pour les temps

courts, des simulations par dynamique moléculaire et calculs ab-initio de type DFT combinées ensuite à des modèles cinétiques de type Monte-Carlo ou de champs pour accéder aux échelles de temps long.



Ces simulations seront confrontées à des expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN, relaxation nucléaire du lithium-7) et de spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE). Ces expériences permettent de caractériser finement les mouvements du lithium à échelle microscopique (mobilité, RMN) et macroscopique (diffusion, SIE). La finalité est de comprendre les phénomènes d'évolution nano-structurale et de diffusion lents qui impactent potentiellement le fonctionnement et le vieillissement de l'électrolyte.