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Relever le défi de la transition vitreuse par manipulation optique de molécules

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+3

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

31-07-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary

Nous cherchons du renfort pour construire une expérience utilisant des couches minces de molécules organiques manipulées par des faisceaux de lumière. L'objectif ultime est de tester des prédictions théoriques générales et primordiales sur les verres.

Sujet détaillé/Full description

Contexte
D’après le prix Nobel P.W. Anderson, « Le problème non résolu le plus profond et le plus intéressant en théorie de la matière condensée est probablement la nature des verres et la transition vitreuse ». Cette citation reflète notre incapacité à trancher cette question : existe-t-il une phase vitreuse bien définie thermodynamiquement, ou au contraire les verres sont-ils toujours des états hors d’équilibre dont le temps de relaxation est si grand que le système apparait comme un solide ? Cette ignorance résulte d’une difficulté intrinsèque : les techniques expérimentales utilisées pour mettre en évidence des transitions de phases thermodynamiques (par exemple, liquide/gaz ou liquide/cristal) ne peuvent s’appliquer car elles seraient pour les verres incompatibles avec les temps d’expérience usuels. Il faut donc une approche novatrice pour lever le mystère de la transition vitreuse, laquelle représente non seulement un défi fondamental, mais de plus conditionne bon nombre d’applications, puisque les verres sont des matériaux de grande importance technologique (fuselages d’avions, fibres optiques, systèmes photovoltaïques…).

Objectifs
Dans ce contexte, nous cherchons à concrétiser une expérience de la pensée proposée récemment par des physiciens théoriciens qui permettra de démontrer ou infirmer la présence d’une transition thermodynamique vers un état vitreux. L’approche que nous avons échafaudée requiert i) la mise au point de molécules manipulables optiquement, et leur dépôt en couches minces de quelques microns d’épaisseur ii) la construction d’un montage optique, et iii) la comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Le stage sera une contribution à la construction d’une telle expérience.

Détails et profil recherché
Ce projet est une collaboration réunissant toutes les compétences nécessaires entre physiciens, chimistes et théoriciens, situés près de Paris au CEA de Saclay et à l’université de Montpellier. Le stage se déroulera dans les laboratoires NIMBE/LIONS et SPEC/SPHYNX du CEA de Saclay. Nous recherchons un(e) candidat(e) qui, en s’appuyant sur les expertises disponibles sur place, pourra élaborer la procédure de fabrication des échantillons en contribuant à l’une ou ces étapes : dépôt de molécules en couches minces par voie physique ou chimique, gravure de circuits sur verre, mesures physiques (mesures optiques, diffusion des rayons X, spectroscopie diélectrique). Idéalement ce stage est conçu pour un niveau M1, mais il peut être facilement adapté pour un(e) étudiant(e) de L3.

Compétences/Skills

Dépôts en couches minces, diffusion des rayons X, lithographie, optique, spectroscopie diélectrique.
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Fabrication de surfaces repoussant l'huile et l'eau
Design of non-wetted surfaces by both water and oil

Spécialité

Chimie des matériaux

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GUENOUN Patrick
+33 1 69 08 74 33

Résumé/Summary

Conception de surfaces omniphobes. Nous nous proposons d'aborder ce sujet en modifiant une surface (oxyde, mica, silice, ...) en modulant sa rugosité et en y greffant des molécules adaptées.
Design of new types of omniphobic surfaces. We intend to address this topicby modifying a surface (oxide, mica, silica, ...) in a physical way by modulating its roughness and by a suitable chemically grafting of molecules.

Sujet détaillé/Full description

Lors de ce stage nous proposons de concevoir de nouveaux types de surfaces omniphobes. Il s’agit de surfaces où des liquides, hydrophiles (solutions aqueuses) ou hydrophobes (huiles, liquides organiques) se déposent sous forme de gouttes formant un angle de contact élevé avec la surface. Cette propriété est très importante pour beaucoup d’applications où l’on ne souhaite pas que le liquide réside sur la surface comme la condensation de gouttes sur un pare-brise par exemple.

Pourtant modifier une surface pour obtenir qu’à la fois huile et eau soit peu mouillantes est un réel défi technologique pour l'industrie. Nous nous proposons d’aborder ce problème en modifiant une surface (oxyde, mica, silice,…) de manière physique en modulant sa rugosité et de manière chimique en greffant des molécules adaptées.

Nous aborderons aussi une autre méthode pour éviter qu’une goutte, même d’angle de contact faible, réside sur une surface: il s’agit de réaliser des surfaces glissantes, là aussi grâce à un greffage adapté qui rend le substrat « liquide ».
During this internship we propose to design new types of omniphobic surfaces. On such surfaces the deposition of hydrophilic (like aqueous solutions) or hydrophobic liquid (oil, organic liquids) forms dropplets, with a wide contact angle with the surface. This property is important for many applications, where it is not intended that the liquid stays on the surface, as for example the condensation drops on a windshield.

Yet, modifying a surface to obtain that both oil and water are not wetting, is a strong technological challenge for the industry. We intend to address this topic by modifying a surface (oxide, mica, silica, ...) in a physical way by modulating its roughness and by a suitable chemically grafting of molecules.

Mots clés/Keywords

Physico-chimie, polymères

Compétences/Skills

Mesures d'angle de contact, microscopie à force atomique, spectroscopie, chimie de surface
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Dynamique de la conformation de la chromatine lors de la réplication de l'ADN chez les eucaryotes
Dynamics of chromatin conformation for DNA replication in eukaryotes

Spécialité

Biophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GUENOUN Patrick
+33 1 69 08 74 33

Résumé/Summary

Nous proposons dans ce stage d’étudier les relations entre la structure de la chromatine à des échelles entre 1 et 100 nm et la dynamique de réplication de l’ADN. Pour cela, nous utiliserons la diffusion des rayons X aux petits angles pour déterminer la conformation de la chromatine, et la cytométrie en flux pour suivre la duplication du génome.
We propose here to study the relations between chromatin structure at lengthscales in between 1 and 100nm and DNA replication dynamics. X-ray scattering will be used to determine chromatin conformation and flux cytometry for following genome duplication.

Sujet détaillé/Full description

L’ADN génomique est associé à tout instant à des protéines. Le complexe protéique le plus abondamment présent le long de l’ADN est appelé nucléosome. Les nucléosomes confèrent à l’ADN une structure tridimensionnelle appelée la chromatine. L’organisation tridimensionnelle du génome et sa dynamique dans des cellules vivantes sont déterminantes pour ses fonctions. Il est donc crucial de les comprendre et d’identifier les paramètres qui les contrôlent.
Cependant, les connaissances actuelles ne permettent pas encore de décrire à toutes les échelles spatiales la structure locale et globale de la chromatine lors des processus de régulation du cycle cellulaire comme la réplication.
Nous proposons dans ce stage d’étudier les relations entre la structure de la chromatine à des échelles entre 1 et 100 nm et la dynamique de réplication de l’ADN. Pour cela, nous utiliserons la diffusion des rayons X aux petits angles pour déterminer la conformation de la chromatine, et la cytométrie en flux pour suivre la duplication du génome. La diffusion sera réalisée directement sur des ensembles de cellules synchronisées dans leur évolution. En utilisant des concepts issus de la physique des polymères nous quantifierons les relations entre la dynamique de la réplication et la structure de la chromatine.
Nous utiliserons comme système modèle la levure de boulanger, Saccharomyces cerevisiae. Comme pour toute cellule eucaryote, le cycle cellulaire de la levure comprend trois phases avant sa division : 1) la préparation de l’ADN à la duplication (phase G1), 2) la duplication de l’ADN (phase S) et 3) le contrôle de l’ADN dupliqué et la préparation à la division cellulaire (phase G2). Des cellules de S. cerevisiae de type a seront synchronisées à la fin de leur phase G1 grâce à une phéromone sexuelle appelée facteur αEn enlevant ce dernier de la solution par lavages successifs, la population de cellules synchronisées à la fin de la phase G1 est relâchée dans la phase S où de manière concomitante nous effecturons des mesures de diffusion des rayons X aux petits angles et des prélèvements d’échantillons destinés à être analysés par cytométrie de flux.

Ce stage s'effectue en collaboration avec Arach GOLDAR, DRF//JOLIOT/SBIGEM/LTG (laboratoire spécialisé dans l'étude de l'ADN)


Lieu :
CEA/Saclay,

Mots clés/Keywords

Physique statistique

Compétences/Skills

Culture cellulaire, Diffusions aux petits angles, Cytométrie en flux, Analyse du signal Physique statistique Physique des polymères Modélisation (analytique et numérique).
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Influence de la nanostructuration des solvants sur l’agrégation de particules obtenues par précipitation de sels.

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

15-03-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

TESTARD Fabienne
+33 1 69 08 96 42

Résumé/Summary

L’objectif du stage est de comprendre l’influence de la nanostructuration d’un solvant sur l’agrégation de particules pour contrôler in fine la taille et la forme des assemblages.

Sujet détaillé/Full description

Le contrôle de la morphologie de poudre obtenue par précipitation/conversion reste difficile à contrôler et prédire. Cette voie de synthèse pour obtenir des matériaux aux propriétés particulières est utilisée dans de nombreux procédés industriels (pharmacie, nucléaire, céramique, traitement de déchets,…). En dépit de ce large spectre d’application, il y a encore aujourd’hui un réel enjeu à contrôler et comprendre la phase de précipitation et d’assemblage des particules obtenues par précipitation pour maîtriser les propriétés du matériau final.
Des résultats récents obtenus au laboratoire ont montré comment l’utilisation d’un solvant nanostructuré permettait un contrôle réversible de l’agrégation de particules par la formation de ponts capillaires. C’est ce couplage, jusque-là non étudié, entre la physicochimie des interfaces liquide-liquide, inhérentes à la structuration du solvant, et les faces des particules (interfaces liquide-solide) que nous exploiterons dans le cadre de ce stage.
L’objectif sera d’étudier les conditions physico-chimiques propices à la formation et à la disparition des agrégats d’oxalate ou d’oxyde par des outils de caractérisation multi-échelles des mélanges de solvant et des matériaux en formation.

Stage en collaboration entre deux directions du CEA (Fabienne Testard (DRF/IRAMIS/NIMBE/LIONS) et Sophie Charton (DEN/DMRC/SA2I))

Mots clés/Keywords

Chimie des matériaux, matière molle, auto-assemblage, nanostructure, forces capillaires, précipitation.

Compétences/Skills

AFM, SAXS, microscopie confocale, MEB.
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Étude expérimentale des interactions de nanomédicaments avec un milieu biologique modèle.
Experimental study of nanodrugs interactions with a model biological medium

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOBEAUX Frederic
+33 1 69 08 24 74

Résumé/Summary

Ce projet vise à comprendre comment les nanomédicaments interagissent avec le milieu vivant et plus particulièrement avec les protéines. Dans le cadre du stage, l’objectif sera de suivre l’évolution de la structure de nanomédicaments et des interactions spécifiques avec les constituants d’un milieu biologique modèle.
This project aims at understanding how nanodrugs interact with the biological media and more specifically with proteins. During the intership, the objective will be to monitor the structure of a different nanodrugs and characterize their interaction with the components of a model biological medium.

Sujet détaillé/Full description

Les nanoparticules offrent des perspectives intéressantes pour augmenter l’efficacité thérapeutique et limiter les effets secondaires de principe actifs. Dans la majorité des études, le principe actif est dispersé, solubilisé ou adsorbé dans une matrice inactive aux dimensions nanométriques. Ces dernières années, les équipes de P. Couvreur ont démontré l’intérêt de lier le principe actif à un lipide pour former directement le nano-objet, permettant d’augmenter considérablement le taux de charge en principe actif (> 50%), de limiter l’ajout d’additif et de contrôler la cinétique de distribution.
Pour ces nouveaux « nanomédicaments », il est important de comprendre comment les nanoparticules évoluent dans un milieu biologique (variation de taille, interaction avec les différents constituants du milieu). Nous proposons dans le cadre du projet « nanoprotection » soutenu par le Labex NanoSaclay, une étude physico-chimique sur les interactions entre des nanoparticules à base de dérivés squalénés et du sérum bovin ou certains de ses constituants. Des études récentes suggèrent que les nanoparticules sont en fait rapidement dissociées et que les molécules les constituant sont prises en charge par divers transporteurs (lipoprotéines, albumine). L’objectif est de caractériser d’une part les distributions en volume et les structures des nanoparticules dans le milieu biologique par des techniques de diffusion aux petits angles (lumière, X, neutrons) et d’autre part les interactions spécifiques entre les molécules et les constituants du milieu biologique par des techniques de spectroscopies. L’étude sera également étendue à d’autres types de nanomédicaments.

Mots clés/Keywords

Formulation, nanomatériaux, polymères
Formulation, nanomaterials, polymers

Compétences/Skills

Dichroïsme circulaire, Fluorescence, Calorimétrie, diffusion de rayons X/ neutrons/lumière aux petits angles, ..
Circular dichroism, Fluorescence spectroscopy, Calorimetry, Dynamic Light Scattering, X-ray and Neutron Scattering

Logiciels

/
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Réactivité en milieu confiné
Reactivity in confined media

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

LE CAER Sophie
+33 1 69 08 15 58

Résumé/Summary

La réactivité sous irradiation dans des argiles feuilletées ou nanotubulaires sera étudiée en fonction de la quantité d'eau. Des mécanismes réactionnels seront proposés.
Reactivity under irradiation in layered or nanotubular clay minerals will be studied as a function of the water amount. Reaction mechanisms will be proposed.

Sujet détaillé/Full description

L'influence des rayonnements ionisants sur les minéraux argileux est peu connue, en dépit de leur utilisation comme composants majeurs de la barrière artificielle des dépôts de déchets nucléaires de haute activité. Dans ce contexte, la production de H2 par des minéraux argileux sous des rayonnements ionisants pourrait constituer un véritable problème. Elle peut, par exemple, conduire à la perte des propriétés de rétention de radionucléides en créant des fissures dans la barrière artificielle. Il est donc important de déterminer les mécanismes de réaction de formation de H2 et de comprendre le rôle de plusieurs paramètres sur cette production, comme la quantité d'eau et la géométrie du matériau de confinement. En effet, le confinement des molécules d'eau joue un rôle crucial dans leur comportement sous rayonnement ionisant.
Nous proposons ici, au cours de ce stage, de travailler sur différents modèles de systèmes minéraux d'argile: des talcs nanométriques et des imogolites. Le talc nanométrique a une structure feuilletée, et est hydrophile. La quantité de molécules d'eau peut être contrôlée avec précision. Un autre système d'intérêt est l'imogolite qui a une géométrie de confinement complètement différente: ce sont des nanotubes d'aluminosilicate avec un diamètre monodisperse et dont les groupes chimiques à la surface des tubes (-OH, -CH3) peuvent être contrôlés par synthèse, tout en maintenant une géométrie bien définie. Il est donc possible de piloter l'hydrophilie des imogolites.
Le but du stage est de mesurer la production de H2 sous irradiation par chromatographie en phase gazeuse pour ces deux types d'échantillons (talc nanométrique et imogolite) en fonction de la teneur en eau et d'essayer de comprendre le rôle joué par la quantité d'eau et par la géométrie du confinement. Des expériences de résonance paramagnétique électronique (RPE) seront effectuées pour identifier les défauts formés dans le matériau après irradiation. Ces expériences aideront à proposer des mécanismes de réaction dans les deux systèmes d'intérêt. En outre, dans le cas des échantillons d'imogolite, il est possible de synthétiser des échantillons transparents et épais, ce qui permet d'effectuer des expériences de radiolyse pulsée picoseconde. Nous suivrons alors la cinétique de décroissance de l'électron et mettrons en évidence les spécificités des réactions en milieu confiné. D'autres techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation des matériaux seront l'analyse thermogravimétrique, la spectroscopie infrarouge et la diffraction des rayons X. De toutes ces mesures, les mécanismes de réaction, qui se déroulent dans les milieux confinés, seront proposés en fonction de la géométrie du matériau confinant et de la quantité d'eau.
The influence of ionizing radiation on clay minerals is poorly known, in spite of their use as a major component of the engineered barrier in High Level Nuclear Waste Repositories (HLNWR). In this context, the production of H2 by clay minerals under ionizing radiation could be a real issue. It can, e.g., lead to the loss of radionuclide retention properties by creating cracks in the engineered barrier. It is thus important to determine H2 formation reaction mechanisms and to understand the role of several parameters on this production, such as the water amount and the geometry of the confining material. Indeed, the confinement of water molecules play a crucial role in their behavior under ionizing radiation.
We propose here, during this internship, to work on different model clay minerals systems: nanometric talc and imogolite. Nanometric talc has a layered structure, is hydrophilic and the amount of water molecules can be precisely controlled. Another system of interest is imogolite which has a completely different confining geometry : it consists of aluminosilicate nanotubes with a monodisperse diameter and whose chemical groups at the surface of the tubes (-OH, -CH3) can be tuned while maintaining a well-defined geometry. It is then possible to control the hydrophilicity of imogolites.
The purpose of the internship is to measure the H2 production under irradiation by gas chromatography for these two types of samples (nanometric talc and imogolite) as a function of the water content and to try to decipher the role played by the amount of water and by the confining geometry. Electron Paramagnetic Resonance (EPR) experiments will be performed to identify the defects formed in the material after irradiation. These experiments will help proposing reaction mechanisms in both cases. Moreover, in the case of imogolite samples, it is possible to synthesize transparent and thick samples, making picosecond pulse radiolysis experiments possible. We will then follow the decay kinetic of the electron at the picosecond-nanosecond timescale and thus evidence the specificities of reactions occuring in confined media. Other experimental techniques used for the characterization of materials include thermogravimetric analysis, infrared spectroscopy and X-ray diffraction. From all these measurements, reaction mechanisms, taking place in confined media, will be proposed according to the geometry of the confininig material and to the water amount.

Mots clés/Keywords

Chimie physique
Physical chemistry

Compétences/Skills

Chromatographie en phase gazeuse, RPE (Résonance Paramagnétique de l'Electron), analyse thermogravimétrique, spectroscopie infrarouge, diffraction des rayons X, radiolyse pulsée picoseconde.
Gas phase chromatography, EPR (electron paramagnetic resonance), thermogravimetric analysis, infrared spectroscopy, X-ray diffraction, picosecond pulse radiolysis.

Logiciels

Office Origin
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Criblage par radiolyse d'électrolytes pour les batteries lithium-ion
Screening of electrolytes for lithium-ion batteries by radiolysis

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

13-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

LE-CAER Sophie
+33 1 69 08 15 58

Résumé/Summary

Le vieillissement des batteries lithium-ion est un problème sociétal important. Nous avons montré que la radiolyse permet de simuler très rapidement (en quelques heures) le vieillissement des électrolytes. Nous proposons ici d'utiliser la radiolyse pour cribler divers électrolytes, et étudier leurs comportements.
The aging of lithium-ion batteries is an important societal problem. We have shown that radiolysis enables simulating aging of electrolytes very quickly (within a few hours). We propose to use radiolysis to screen various electrolytes and to study in details the behavior of the most promising ones.

Sujet détaillé/Full description

L'épuisement des combustibles fossiles et les problèmes liés à l'environnement en raison de l'utilisation intensive de combustibles fossiles créent une situation pressante pour trouver d'autres mécanismes de stockage, dans lesquels la batterie lithium ion (BLI) pourrait être considérée comme un dispositif de stockage d'énergie portable raisonnable et plus vert, grâce notamment à ses avantages tels que son faible poids, une tension de fonctionnement élevée et une capacité théorique élevée. Les BLIs se composent généralement d'une anode carbonée et d'une cathode d'oxyde de métal de transition. Les électrolytes commerciaux contiennent généralement un sel conducteur, tel que l'hexafluorophosphate de lithium (LiPF6), dissous dans un mélange de carbonates linéaires (présentant une faible constante diélectrique et une faible viscosité) et cycliques (possédant une grande constante diélectrique et une grande viscosité). Il est bien connu que la capacité de ces batteries est généralement limitée au marché de l'électronique portable et n'est pas encore suffisamment adaptée aux véhicules électriques et aux réseaux intelligents à grande échelle en raison des limitations imposées par les électrodes et des problèmes de sécurité liés aux électrolytes. En effet, les phénomènes de vieillissement réduisent considérablement la durée de vie des BLIs et conduisent à la production de composés dangereux. Au cours des dernières années, de nombreux efforts ont été consacrés à l'amélioration de la stabilité des électrolytes. Par conséquent, l'étude des mécanismes de vieillissement et de dégradation dans les BLIs est un problème urgent.
Une méthode de criblage rapide, permettant une analyse approfondie et globale du comportement du système, permettra d'identifier le système optimal en termes de durée de vie et de sécurité. Nous avons récemment démontré que la radiolyse (c'est-à-dire la réactivité chimique induite par l'interaction entre la matière et les rayonnements ionisants) offre une solution élégante à ces problèmes, car c'est un outil puissant pour l'identification rapide (minutes à jours car elle accélère fortement les processus de vieillissement) des espèces produites par la dégradation d'un électrolyte de batteries après plusieurs semaines à mois de cyclage. En effet, les espèces hautement réactives créées dans la solution irradiée sont les mêmes que celles obtenues lors de l'électrolyse en utilisant des solvants similaires. Ainsi, l'approche "radiolyse" est une méthode très appropriée pour se concentrer sur les phénomènes de vieillissement de différents électrolytes et, ensuite, sur leur réactivité, dans le but de trouver l'électrolyte le plus approprié .
Au cours de ce stage, nous proposons d'examiner différents électrolytes pour identifier le plus robuste en radiolyse, sachant que l'électrolyte résistant aux rayonnements ionisants résistera à l'électrolyse. À cette fin, des techniques de chromatographie en phase gazeuse et de spectrométrie de masse seront utilisées. La réactivité des systèmes les plus prometteurs sera étudiée en détails en utilisant des techniques de radiolyse pulsée qui donnent accès à des données spectrales résolues dans le temps. Enfin, des additifs sont habituellement utilisés dans les électrolytes, car ils sont connus pour polymériser. Les différentes étapes des réactions de polymérisation seront également étudiées par radiolyse pulsée.
The depletion of fossil fuels and environment related issues due to the extensive use of fossil fuels create an ever pressing thrust to find out alternate storage mechanisms, wherein lithium-ion battery (LIB) could be considered as a reasonable and greener portable energy storage device, driven by factors such as light weight, high operating voltage, and high theoretical capacity than other secondary batteries. LIBs generally consist of a carbonaceous anode and a transition-metal-oxide cathode. Commercial electrolytes are usually composed of a conducting salt, such as lithium hexafluorophosphate (LiPF6), dissolved in a mixture of linear (low dielectric constant and low viscosity) and cyclical (high dielectric constant and high viscosity) carbonates. It is well known that the capacity of these batteries is usually limited up to portable electronics market and is not quite adequate yet for electrical vehicles and large-scale smart grids due to the limitations posed by electrodes and safety issues related to electrolytes. Indeed, ageing phenomena significantly reduce the cycle life of LIBs and lead to the production of hazardous compounds as recently evidenced by the thermal runaway of a Samsung mobile phone. Over the last years, many efforts have been devoted to improving the stability of electrolytes. Consequently, the study of ageing and degradation mechanisms in LIBs is an urgent need.
A fast screening method, enabling a thorough and global analysis of the system behavior, will enable the identification of the optimal system in terms of lifetime and safety. We have recently demonstrated that radiolysis (i.e. the chemical reactivity induced by the interaction between matter and ionizing radiation) provides an elegant solution to these issues, as it is a powerful tool for the quick identification (minutes to days as it strongly accelerates aging processes) of the species produced by the degradation of a LIB electrolyte after several weeks to months of cycling. , , Indeed, the highly reactive species created in the irradiated solution are the same as the ones obtained during the charging of a LIB using similar solvents. So, the radiolysis approach is a very suitable method to focus on the aging phenomena of different electrolytes and, then, on their reactivity to find a suitable electrolyte for LIBs.
During this internship, we propose to screen different electrolytes to identify the most robust one towards radiolysis, knowing that the electrolyte resistant towards ionizing radiation will be resistant towards electrolysis. For this purpose, gas chromatography and mass spectrometry techniques will be used. The reactivity of the most promising systems will be investigated thoroughly using pulse radiolysis techniques that give access to kinetic and time-resolved spectral data. Lastly, additives are usually used in electrolytes, as they are known to polymerize. The different steps of polymerization reactions will be also studied by means of pulse radiolysis.

Mots clés/Keywords

chimie physique
physical chemistry

Compétences/Skills

chromatographie en phase gazeuse spectrométrie de masse radiolyse pulsée
gas phase chromatography mass spectrometry pulse radiolysis

Logiciels

Office Origin
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Conception et étude d'un générateur de goutte microfluidique couplé à la spectrométrie de masse
Design and study of a microfluidic droplet generator coupled to mass spectrometry

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GEERTSEN Valerie
+33 1 69 08 47 98

Résumé/Summary

Ce stage portera sur la création d’un générateur de gouttes microfluidiques destiné à l’encapsulation de nanoparticules au sein d’émulsion pour une analyse de nanoparticule unique par spectrométrie de masse (ICPMS).
This internship studies the fabrication of a microfluidics droplet generator for mass spectrometry single nanoparticle analysis (SPICPMS)

Sujet détaillé/Full description

Le stage proposé ici consiste au développement d’un nouveau type de couplage instrumental associant une plateforme microfluidique digitale avec la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (µDig-ICPMS). Il est conduit par deux équipes du CEA Saclay (DRF/LIONS et DEN/LANIE).
Ces dernières années ont vu le développement dans différents laboratoires à travers le monde dont le DRF/LIONS de plateformes microfluidiques destinées à la création et à la manipulation de gouttes liquides calibrées dans une phase liquide continue (µDig). Ces plateformes sont un élément de réponse pertinent pour l’analyse par la diminution évidente des volumes d’effluents et d’échantillon mais aussi par la création de nouveaux concepts tel que l’analyse en goutte destinée soit à l’étude d’échantillons hétérogènes (population d’objets) soit au screening de molécules.
Le stage a pour objectif de fabriquer des puces microfluidiques générant des trains de gouttes d’eau dans huile de tailles définies, avec un design permettant de minimiser la quantité de phase continue (huile) et compatible avec l’ICPMS. Les gouttes seront visualisées par caméra rapide embarquée sur microscope ou sur téléobjectif. Le travail proposé consiste à définir un matériau de fabrication pour la puce microfluidique, choisir un système chimique (huile, tensioactif) et enfin étudier l’éjection des gouttes d’eau depuis la plateforme microfluidique jusqu’au plasma d’argon du spectromètre de masse.
La durée du stage est d’au moins 6 mois. Le sujet pourra éventuellement être poursuivi en thèse (encapsulation de nanoparticules sur la plateforme microfluidique et analyse par Single Particule ICPMS). Ce travail très interdisciplinaire implique un goût du travail en équipe ainsi qu’une importante curiosité scientifique et un esprit d’ouverture. L’aspect fortement instrumental de la thématique nécessite un goût de l’expérience et de l’instrumentation. Une compétence du candidat en microfabrication, impression 3D ou chimie analytique serait fortement appréciée.
The internship focuses on the development of a new instrumental hyphenation associating digital microfluidic platform with inductively coupled plasma mass spectrometer (µDig-ICPMS). It will be supervised by two different laboratories of CEA Saclay (DRF/LIONS and DEN/LANIE).
These last years have seen in several laboratories around the world such as DRF/LIONS, the development of microfluidics platforms to create and manipulate calibrated liquid droplets inside a continuous liquid phase (µDig). These platforms are relevant not only for low-sample or low-waste volumes analysis but also for new analytical concepts such as heterogeneous samples analysis (determination of objects population) or molecules screening.
The traineeship purpose is to fabricate microfluidic chips to generate water droplets of predefined-size inside a continuous oil phase. The chip design will minimize the oil consumption while being compatible with the ICPMS requirement. Droplets will be visualized by rapid camera settled on microscope or telephoto lens. This study aims to define both microfabrication material and chemical system (oil, surfactant) as well as droplets ejection from microfluidic platform to ICPMS argon plasma.
Internship duration is at least 6 months. The work could possibly be continued in PhD (nanoparticles encapsulation on microfluidic platform and SPICPMS). This interdisciplinary thematic requires team work ability, large scientific curiosity and openness. Instrumentation being a large component of this study, the candidate must show a commitment for experimental laboratory work. A competence in microfabrication, 3D printing or analytical chemistry will be fully appreciated.

Mots clés/Keywords

Chimie analytique, chimie physique, microfabrication, microfluidique, nanoparticules, physico chimie, emulsions, gestion des flu
Analytical Chemistry, microfabrication, microfluidic, nanoparticles, physic chimistry, emulsion

Compétences/Skills

Spectrométrie de masse, ICPMS, microfabrication, photolithographie, microscopie optique
Mass spectrometry, ICPMS, microfabrication, photolithography, optical microscopy

Logiciels

Python, Excel, ..
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Synthèse de film composite copolymère/nanoparticules d'or pour des applications en optique.

Spécialité

Matériaux composites

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

06-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

TESTARD Fabienne
+33 1 69 08 96 42

Résumé/Summary

L’objectif du stage est d’obtenir par une approche « bottom-up » des films nanostructurés de copolymères contenant des nanoparticules d’or de différentes formes et tailles, pour des applications dans le domaine des metamatériaux électromagnétiques et des capteurs.

Sujet détaillé/Full description

Avec la possibilité de contrôler la nanostructure d’assemblage diélectrique/métallique à une échelle inférieure à celle de la longueur d’onde de la lumière, une nouvelle classe de matériaux a émergé depuis les années 2000. Ces « metamatériaux » offrent de nombreuses possibilités d’applications dans le domaine de la photonique, optique (lentille super résolue, matériau à indice de réfraction négatif, etc ..). L’approche dite « Top-down » permet d’obtenir ces assemblages aux propriétés optiques recherchées, mais l’obtention facile, à façon et à moindre coût de ces matériaux reste un sujet intense de recherche.
Une autre approche dite « bottom-up » consiste à obtenir des films composites nanostructurés à partir de solution de copolymères et de nanoparticules. Cette approche offre une plus grande versatilité dans la mise en forme des matériaux et des coûts moindres de fabrication. Les preuves de concept ont été obtenues avec des films nanostructurés de copolymères contenant des nanoparticules d’or, mais il reste de nombreuses questions. En particulier, l’influence sur les propriétés optiques de la nanostructure du matériau et de la distribution en taille et forme des nanoparticules métalliques dans le film reste peu décrite.
L’objectif du stage se place dans ce cadre et vise à produire et caractériser des films composites à base de copolymères di-block contenant des nanoparticules d’or isotropes ou anisotropes synthétisées directement dans le film ou préalablement à son dépôt. Le but est de produire des films sans défaut dont la répartition en particule est homogène dans le film, pour des particules de taille et forme contrôlées.

Mots clés/Keywords

matériaux nanostructurés, nanoparticules d’or, nanomatériaux, metamateriaux, physico-chimie, polymères,

Compétences/Skills

AFM, diffusion de rayons X/lumière aux petits angles, microscopie électronique à transmission..
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Vers une chimie des hautes énergies
High energy chemistry

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

18-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

RENAULT Jean-Philippe
+33 1 69 08 15 50

Résumé/Summary

Le but de ces stages est de mettre en place des méthodologies d’étude ces évenements les plus énergétiques qu’on puisse envisager en chimie - les ionisations en couches internes en utilisant le rayonnement X "mou" (100 - 2keV) pour les déclencher sélectivement autour des différents seuils d'ionisation des constituants de la matière biologique (comme le carbone, l'oxygène, l'azote ou différents métaux aussi présent dans certaines protéines).
The goal of these Masters internships is to set up methodologies to study the most energetic events that can occur in molecule, the ionizations of inner electronic shells It will be done using soft" X-ray radiation (100 - 2 keV) to trigger them selectively around the different ionization thresholds of the constituents of the biological material (such as carbon, oxygen, nitrogen or various metals also present in certain proteins).

Sujet détaillé/Full description

L’effet des rayonnements ionisant est étudiée depuis plus de cent ans, à la fois pour ce qui concerne la dégradation de la matière biologique pour la radiobiologie, mais aussi pour ses nombreuses implications dans le domaine de l'industrie nucléaire.
Les évènements d’ionisations simples par l’Ultra-Violet, correspondant à des dépôts d’énergie de quelques eV (électron Volt) par molécules, sont assez bien d’écrits. Les effets de l’ionisation en couches externes (impliquant les électrons jouant un rôle dans les liaisons chimiques) ou par les particules de hautes énergies sont aussi connus (dépôts de quelques dizaines d’eV conduisant en particulier à la cassure des liaisons OH et CH). Mais les effets des évènements les plus énergétiques qu’on puisse envisager en chimie - les ionisations en couches internes (impliquant les électrons conservant un caractère atomique et ne jouant pas de rôle dans la liaisons chimiques) menant des dépôts d'énergies de plusieurs centaines d’eV à l’échelle d’un atome - sont encore mal compris en phase condensée. Certes, ils demeurent des évènements rares lorsqu’un milieu est exposé à des particules de haute énergie, mais pourtant, leurs effets sur les biomolécules, les protéines et l'ADN pourraient être très significatifs [1] et en particulier être le facteur limitant les études structurales, de microscopie X et sur les lasers à électron libre de haute énergie (XFEL) [2,3].
Le but de ces stages est de mettre en place des méthodologies d’étude ces évènements rares en utilisant le rayonnement X "mou" (100 - 2keV) pour les déclencher sélectivement autour des différents seuils d'ionisation des constituants de la matière biologique (comme le carbone, l'oxygène, l'azote ou différents métaux aussi présent dans certaines protéines).

Dans le cadre de l’ANR HighEnerChem nous proposons différant stages :

Stage 1 ;
Le stagiaire travaillera d’abord sur le développement d’irradiations en cuves à fenêtres ultraminces (150 nm de nitrure de silicium) testées avec succès au seuil du carbone et de l'oxygène. Ces mesures donneront accès aux produits de dégradations aux temps longs (jusqu’à la microseconde).
Il utilisera ces cellules pour mettre en place les méthodes d’analyses [4] permettant de distinguer les produits d’ionisations en couches internes du fond radiolytique. Ces études seront développées sur des petites molécules d’intérêt biologiques. (peptides, sucres, modèles des bases de l’ADN).

Stage 2 ;
Le stagiaire travaillera sur la ligne PLEIADES du Synchrotron SOLEIL, à l’amélioration de la technique de jet liquide sous vide (système qui vient d'être mis en place et testé avec succès sur la ligne de lumière). Celle-ci permet d’effectuer la spectroscopie d’électron sur une solution. Les transferts d'énergies, intervenant après une excitation ou une ionisation en couche interne, entre la molécule organique et le solvant seront étudies. De plus les changements structuraux de la biomolécule après différentes doses d'irradiation pourront être aussi investigués.
The effect of ionizing radiation has been studied for more than hundred years, with regards to the degradation of biological material for radiobiology, but also for its many implications in nuclear industry fields. The events of simple ionizations by Ultra-Violet, corresponding in deposition of energy of a few eV (electron Volt) per molecules, are quite well known. The ionization effects of the outer electronic shells (involving electrons playing a role in the chemical bonds) by high-energy particles are also known (deposition of a few tens of eV, leading in particular to breakage of the OH and CH bonds). But the effects of the most energetic events that can be envisaged in chemistry - the ionizations of inner electronic shells (involving electrons with an atomic character and not playing a role in the chemical bonds) leading to a deposition of energies of several hundred eV on the scale of an atom - are still poorly understood in the condensed phase. Even if they remain rare events, when a medium is exposed to high energy particles, their effects on biomolecules, proteins and DNA could be very significant [1], and in particular could be a limiting factor for structural studies, X-ray microscopy and high-energy free-electron lasers (XFEL) [2,3].
The goal of these Masters internships is to set up methodologies to study these rare events using "soft" X-ray radiation (100 - 2 keV) to trigger them selectively around the different ionization thresholds of the constituents of the biological material (such as carbon, oxygen, nitrogen or various metals also present in certain proteins).

Within this broad topic, we propose different internships.

I1
During the Masters internship, the trainee will perform measurements around the carbon and oxygen edges using an irradiation cell with ultrafine windows (150 nm silicon nitride windows). These measures will give access to degradation products at long times (up to microseconds).. The trainee will initially put in place the analytical methods [4] making it possible to distinguish the products of inner shell ionization from the radiolytic background. These studies will be developed on small molecules of biological interest. (peptides, sugars, DNA base models).

I2 :
During the Masters internship, the trainee will work on the PLEIADES beamline at the SOLEIL Synchrotron, to improve the technique of a vacuum liquid jet (system that has just been successfully tested on the beamline). This technique makes it possible to perform electron spectroscopy on a solution. The energies transfer, after an inner shell excitation or an ionization, between the organic molecule and the solvent will be studied. Moreover, the structural changes of the biomolecule after different irradiation doses could also be investigated.

Mots clés/Keywords

Physique

Compétences/Skills

Fluidique innovante, irradiation radiolyse
Microfluidic, irradiation, radiolysis
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Intermédiaire de nucléation dans la biocristallisation calcaire
Nucleation intermediate in calcareous biocrystallization

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHEVALLARD Corinne
+33 1 69 08 52 23

Résumé/Summary

L’étude de la minéralisation chez les organismes vivants, ou « biominéralisation », sera menée en développant des systèmes modèles physico-chimiques. Les expériences réalisées se focaliseront sur le biocristallisation calcaire, et auront pour but de tester l’hypothèse d’une séparation de phase liquide-liquide dans le processus de nucléation cristalline biogénique.
The study of mineralization in living organisms, or "biomineralization", will be conducted by developing physico-chemical model systems. The experiments will focus on calcareous biocrystallization, and will test the hypothesis of a liquid-liquid phase separation in the biogenic process of crystal nucleation.

Sujet détaillé/Full description

Les organismes vivants ont la capacité de produire des structures minérales, ou « tissus durs » (dents, os, exosquelettes, etc.), dont les formes et propriétés mécaniques sont totalement adaptées à la fonctionnalité biologique ciblée [1]. La compréhension fine des mécanismes de biominéralisation est activement recherchée car elle est un prérequis au développement de voies de synthèse bio-inspirées permettant l’élaboration de nouveaux matériaux avec un très faible apport énergétique. Trois traits caractéristiques de la biominéralisation calcaires semblent émerger : (i) la précipitation de la phase minérale s’effectue toujours sous le contrôle de macromolécules organiques [1]; (ii) une phase minérale amorphe pourrait apparaître transitoirement et serait à l’origine des morphologies complexes observées [2]; (iii) tous les biocristaux calcaires présentent une nanostructuration, sous la forme d’un assemblage de granules de forme sphéroïdale et de taille caractéristique allant de 50 à 500 nm [3].
Nous nous proposons d’utiliser le point de vue de la physico-chimie pour comprendre les mécanismes génériques de la biominéralisation [4]. Une hypothèse actuellement en cours est que, avant même la nucléation cristalline, une séparation de phase liquide-liquide pourrait générer un intermédiaire liquide enrichi en minéraux qui se solidifierait pour donner des « granules » amorphes. La cristallisation de ces granules, intervenant dans un deuxième temps, conduirait au biocristal sous sa forme définitive avec une cohérence cristalline étendue à quelques granules.
Dans le cadre de ce stage, nous testerons cette hypothèse en mettant en œuvre des expériences de minéralisation du carbonate de calcium en présence de macromolécules organiques, pour lesquelles une séparation de phase liquide-liquide est attendue [5]. Nous chercherons dans un premier temps à préciser les conditions expérimentales permettant le développement d’une telle séparation de phase, en effectuant notamment des expériences de titrage de solutions carbonatées par des solutions de calcium, et en réalisant un suivi de la concentration calcique à l’aide d’une électrode ionique adaptée. Lorsque les conditions seront identifiées, nous réaliserons des synthèses de cristaux dans ces conditions, supposées biomimétiques, et collecterons les cristaux formés afin de les caractériser par des techniques de laboratoire (microscopies optiques, spectroscopies IR/Raman, diffusion/diffraction X) et de les comparer aux biocristaux calcaires. Nous envisageons ici l’utilisation d’un dispositif microfluidique permettant le mélange rapide et reproductible des espèces réactives.
Ce stage se déroulera dans le cadre d’un projet européen (3D-BIOMAT, ERC consolidator grant) développé en collaboration avec des physiciens de l’Institut Fresnel (UMR 7249, Marseille) et des biologistes de la station IFREMER de Polynésie française. Les résultats obtenus permettront d’avancer dans la formulation d’un modèle physico-chimique de la biocristallisation calcaire, but ultime de ce projet.

[1] H.A. Lowenstam and S. Weiner, On Biomineralization (New York), 1989.
[2] L. Addadi, et al., Z. Kristallogr., 227: 711, 2012.
[3] Y. Dauphin, Mineral. Mag., 72: 243, 2008.
[4] Y.-H. Tseng, et al., CrystEngComm, 16: 561, 2014.
[5] L. B. Gower, D. J. Odom, J. Cryst. Growth, 210: 719, 2000.
Living organisms are able to produce mineralized structures, or "hard tissues" (teeth, bones, exoskeletons, etc.), the shape and mechanical properties of which are fully adapted to the targeted biological functionality [1]. The fine understanding of the biomineralization mechanisms is actively being sought because it is a prerequisite for the development of bio-inspired pathways of synthesis allowing the development of new materials with very low energy input. Three characteristic features of calcareous biomineralization seem to emerge: (i) the precipitation of the mineral phase is always carried out under the control of organic macromolecules [1]; (ii) an amorphous mineral phase could appear transiently and would explain the observed complex morphologies [2]; (iii) all calcareous biocrystals exhibit a nanostructuring in the form of an assembly of granules, with a spheroidal shape and a characteristic size ranging from 50 to 500 nm [3].
We propose to use a physicochemical perspective to understand the generic mechanisms of biomineralization [4]. One current hypothesis is that, even before crystal nucleation, a liquid-liquid phase separation could generate a mineral-enriched liquid intermediate that would solidify and produce amorphous "granules". The subsequent assembly and crystallization of these granules would lead to the biocrystal in its final state, with a crystalline coherence extended to a few granules.
During this internship, we will test this hypothesis by implementing calcium carbonate mineralization experiments in the presence of organic macromolecules, for which a liquid-liquid phase separation is expected [5]. We will first try to specify the experimental conditions allowing the development of such a phase separation, in particular carrying out titration experiments of carbonated solutions by calcium solutions, and monitoring the calcium concentration at the same time using a suitable ion electrode. When conditions will be identified, we will synthesize crystals under these supposedly biomimetic conditions and we will collect the crystals formed for characterization using laboratory techniques (optical microscopies, IR / Raman spectroscopies, X-ray diffraction) and comparison with the calcareous biocrystals. Here the use of a microfluidic device allowing fast and reproducible mixing of the reactive species will be considered.
This internship will take place within the framework of a European project (3D-BIOMAT, ERC consolidator grant) developed in collaboration with physicists of the Fresnel Institute (UMR 7249, Marseille) and biologists of the IFREMER laboratory of French Polynesia. The obtained results will help in formulating a physicochemical model of calcareous biocrystallization, the ultimate goal of this project.

[1] H.A. Lowenstam and S. Weiner, On Biomineralization (New York), 1989.
[2] L. Addadi, et al., Z. Kristallogr., 227: 711, 2012.
[3] Y. Dauphin, Mineral. Mag., 72: 243, 2008.
[4] Y.-H. Tseng, et al., CrystEngComm, 16: 561, 2014.
[5] L. B. Gower, D. J. Odom, J. Cryst. Growth, 210: 719, 2000.

Mots clés/Keywords

croissance cristalline, nanosciences, biominéralisation
crystal growth; nanosciences, biomineralization

Compétences/Skills

Titrations chimiques et mesures sélectives d'ions (électrodes ioniques). Microscopie optique (biréfringence), électronique (SEM, TEM) et spectroscopies infrarouge/Raman, diffusion/diffraction X.
Chemical titrations and ion selective measurements (ion selective electrodes). Optical microscopy (birefringence), electron (SEM, TEM) and infrared / Raman spectroscopies, X-ray scattering / diffraction.

Logiciels

Windows - Logiciel standards de bureautique
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Caractérisation de nanoparticules dans les aliments par SAXS et MEB

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

TACHE Olivier
+33 1 69 08 64 84

Résumé/Summary

Le sujet de stage vise à l’étude des nanoparticules dans les aliments, notamment des travaux sur l’élaboration/amélioration de protocoles de préparation, la caractérisation par Diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) au CEA, caractérisation par microscopie (au LNE), la comparaison des mesures et des méthodes

Sujet détaillé/Full description

Le secteur de l’industrie alimentaire a de plus en plus recours à différents types de nanoparticules (SiO2/E551, TiO2/E171, Ag/E174 etc…) utilisés comme additifs (colorants, anti-agglomérant). Or la démonstration du caractère nano selon les recommandations de la Commission Européenne nécessite de déterminer la distribution granulométrique et la mesure du diamètre médian (seuil des 50% inférieur à 100nm). La métrologie des nanoparticules dans l’alimentation devient un enjeu sociétal important.
Le SAXS (« Small Angle X-Ray Scattering ») est une technique complémentaire à la microscopie qui permet une caractérisation très précise des nanoparticules in-situ, sans (ou peu) de préparation de l’échantillon, et l’obtention des mesurandes nécessaires à la recommandation européenne (forme, taille, distribution en taille, surface spécifique). Or il n’existe pas de travaux scientifiques sur les mesures de nanoparticules dans l’alimentation par SAXS en laboratoire, avec comparaison à la microscopie.

Mots clés/Keywords

Nanoparticules

Compétences/Skills

SAXS, MEB, DLS

 

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