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Conception de nanoparticules hybrides lipides-polymères par une méthode microfluidique, pour application en chimiothérapie et photothérapie dynamique des cancers oculaires
Design of functionalized lipid-polymer nanoparticles prepared by a microfluidic method for chemo/photodynamic therapy of ocular cancers

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MALLOGGI Florent
+33 1 69 08 63 28

Résumé/Summary
L'objectif principal du stage est de former, par une approche microfluidique, des nanoparticules hybrides lipide-polymère (LPHN) chargées d'un photosensibilisateur et d'un médicament anticancéreux, destinées au traitement du rétinoblastome par thérapie photodynamique (PDT) et chimiothérapie combinées dans un seul vecteur.
The main objective of the internship is to form, through a microfluidic approach, hybrid lipid-polymer nanoparticles (LPHNs) loaded with a photosensitizer and an anticancer drug, intended for the treatment of retinoblastoma by photodynamic therapy (PDT) and chemotherapy combined in a single vector.
Sujet détaillé/Full description
Contexte
Le rétinoblastome (Rb) est un cancer de la rétine qui touche 1 naissance sur 15 à 20 000 chaque année. Les traitements conventionnels comprennent l'énucléation et la chimiothérapie. Pour les petites tumeurs solides comme le Rb, la thérapie photodynamique (PDT) peut être bénéfique car elle est non mutilante et génère peu d'effets secondaires. La phototoxicité résulte de la combinaison des effets d'un photosensibilisateur (PS), de la lumière et de l'oxygène. Dans un tel contexte, la conception d'un nanocarrier colloïdal fonctionnalisé qui pourrait solubiliser, protéger et diriger les dérivés de la porphyrine (PS) vers leurs cellules cibles, faciliter leur pénétration et leur libération dans le cytoplasme cellulaire avant l'illumination, permettrait d'optimiser l'effet thérapeutique.
L'objectif final du projet LPHN-OnAChip est de former et de fonctionnaliser dans une seule puce microfluidique des nanoparticules hybrides (nanoparticules de polymère lipidique appelées LPHN) co-encapsulant un médicament anticancéreux et un photosensibilisateur associé à des ligands. Le projet est basé sur les expertises complémentaires de deux laboratoires en matière de systèmes innovants d'administration de médicaments, d'évaluation physico-chimique et biologique du ciblage des porphyrines pour la TPD (IGPS) et dans les systèmes d'auto-assemblage, de caractérisation in situ et de microfluidique (LIONS).

Mission
La première partie du projet et l'objectif de ce stage sont consacrés à la synthèse des LPHNs non fonctionnalisés par la microfluidique. L'étudiant étudiera la synthèse de nanoparticules (NP) de poly(acide lactique) contenant un agent anticancéreux par nanoprécipitation dans une géométrie de dispositif de focalisation à flux unique. Il/elle optimisera les conditions de monodispersité et de reproductibilité de la taille en faisant varier les débits, le rapport entre les différents composants, la nature du solvant organique utilisé pour la nano-précipitation.
En fonction de l'avancement des travaux, le candidat étudiera la formation de LPHN en recouvrant les poly(acide lactique) NP obtenus précédemment de liposomes porteurs de PS. Dans ce cas, un dispositif microfluidique en deux étapes sera mis au point.

Profil
Nous recherchons des candidats ayant une formation en ingénierie/biologie/chimie, des compétences en microfluidique seront un atout mais ce n'est pas obligatoire. Le (la) candidat(e) doit être très motivé(e) pour relever les défis liés au travail avec des équipes multidisciplinaires.
Les candidats auront un profil d'expérimentateur.
Les candidats doivent parler anglais ou français, et avoir de bonnes capacités de communication.
Context
Retinoblastoma (Rb) is a cancer of the retina that affects 1 in 15 to 20000 births each year. Conventional treatments include enucleation and chemotherapy. For small solid tumors like Rb, photodynamic therapy (PDT) may be of benefit because it is non-mutilating and generates few side effects. Phototoxicity results from the combination of effects of a photosensitizer (PS), light and oxygen. In such a context, the design of a functionalized colloidal nanocarrier which could solubilize, protect and lead porphyrin (PS) derivatives towards their target cells, facilitate their penetration and release in cell cytoplasm before illumination, would optimize the therapeutic effect. The final aim of the project LPHN-OnAChip is to form and functionalize in a single microfluidic chip hybrid nanoparticles (lipid-polymer nanoparticles referred as LPHN) co-encapsulating an anti-cancer drug and a photosensitizer associated to ligands. The project is based on complimentary expertises of two laboratories in innovative drug delivery systems, physico-chemical and biological evaluation of targeting of porphyrins for PDT (IGPS) and in the self-assembling systems, in situ characterization and microfluidics (LIONS).

Mission
The first part of the project and the aim of this internship is dedicated to the synthesis of non-functionalized LPHNs by microfluidics. The student will study the synthesis of poly(lactic acid) NPs containing anti-cancer agent by nano-precipitation in a single flow focusing device geometry. He/she will optimize conditions for size monodispersity and reproducibility by varying the flow rates, the ratio between the different components, the nature of the organic solvent used for nanoprecipitation.
Depending on the progress of the work, the candidate will investigate the formation of LPHNs by coating the previously obtained poly(lactic acid) NPs with liposomes carrying PS. In this case a two stages microfluidic device will be developed.


Profile
We are looking for applicants having a background such as Engineering/Biology/Chemistry, skills in microfluidics will be an asset but it is not mandatory. The applicant must be highly motivated by tackling challenges of working with multidisciplinary teams.
Applicants will have an experimentalist profile.
Applicants shall speak English or French, and have good communication skills.
Mots clés/Keywords
nanoparticules, polymère, microfluidique
nanoparticles, polymers, microfluidics
Compétences/Skills
Plusieurs techniques de caractérisation seront utilisées, telles que la diffusion dynamique de la lumière (DLS), la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie confocale, la microscopie électronique à transmission cryogénique (Cryo-TEM) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS).
Several characterization technics will be used such as Dynamic Light Scattering (DLS), Atomic Force Microscopy (AFM), confocal microscopy, Cryo-Transmission Electron Microscopy (Cryo-TEM), and Small Angle X-ray Scattering (SAXS).
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Détection microfluidique des intermédiaires de nucléation cristalline lors de synthèses de nanoparticules inorganiques en phase aqueuse
Microfluidic detection of crystal nucleation Intermediates during yttrium vandate (YVO4) nanoparticle synthesis in water

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

25/06/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CHEVALLARD Corinne
+33 1 69 08 52 23

Résumé/Summary
La synthèse en solution aqueuse de nanoparticules de YVO4 se caractérise par l’existence transitoire d’un réseau amorphe, formé dès les premières ms de la réaction, en amont de la nucléation cristalline. Afin de suivre en détails l’apparition de ce réseau, nous effectuerons des synthèses microfluidiques à l’aide d’un dispositif original permettant le mélange des solutions salines en quelques 100 μs, ainsi que la réalisation de mesures de diffusion X sur puce.
The synthesis of yttrium vanadate nanoparticles in water is characterized by the transient existence of an amorphous network that appears within the first few ms, prior to crystal nucleation. In order to track the appearance of this transient network, we will carry out microfluidic syntheses using a device which allows mixing salt solutions in a few 100 µs, as well as on-chip x-ray scattering measurements.
Sujet détaillé/Full description
La compréhension des mécanismes de nucléation cristalline dans des solutions salines sursaturées détermine notre capacité à concevoir des nanomatériaux et à comprendre certains processus géologiques ou encore la biominéralisation [1]. Cependant, la nucléation cristalline est imparfaitement décrite par les «théories classiques de nucléation» (CNT) [2]. Une raison, admise, de cet échec est que les CNT négligent l'existence d'états désordonnés transitoires, liquides ou solides amorphes. À ce jour, les données quantitatives sont en effet rares, en raison du défi que représente la mesure de structures petites et transitoires ( Nous avons récemment mis au point des mélangeurs microfluidiques permettant d’accéder à des temps de réaction après mélange dix fois plus courts (~100 µs) que ceux accessibles avec les mélangeurs commerciaux [3]. L’utilisation de ces mélangeurs ultrarapides va nous permettre de caractériser, par diffusion de rayons X sur source synchrotron, les toutes premières étapes de la nucléation cristalline de YVO4, avant même la formation du réseau amorphe déjà observé avec un mélangeur commercial [4]. Les premières expériences réalisées en février 2020 sur le synchrotron DIAMOND (Royaume-Uni) ont confirmé la faisabilité de ces mesures et ont apporté de premiers résultats scientifiques. Il faut désormais attester la reproductibilité des mesures et généraliser l’emploi du mélangeur microfluidique à d’autres conditions expérimentales (concentrations salines, valeur de pH, nature des sels) afin de préparer ou de consolider les prochaines expériences prévues au au printemps 2021 sur le synchrotron SOLEIL.
Ce stage de Master 2 correspond à un travail expérimental qui consistera à fabriquer les puces microfluidiques dans un environnement de salle blanche, puis à caractériser leur temps typique de mélange en fonction des débits choisis et à mener des expériences de cristallisation sur puces, couplées avec un suivi par microscopie optique. Des expériences de laboratoire complémentaires seront effectuées pour caractériser les produits finaux, par l’utilisation de la spectroscopie de luminescence stationnaire, des mesures de diffusion X ou de la microscopie MET.
A proper understanding of crystal nucleation from supersaturated salt solutions crucially determines our ability to tailor nanomaterials, or to capture geological and biomineralization processes [1]. Despite this importance, crystal nucleation is poorly captured by the so-called “classical nucleation theory” (CNT), which can be off by ten orders of magnitude in the predicted nucleation rates [2]. An acknowledged reason for this failure is that the CNT overlook the existence of transient disordered states, that is, liquid or solid amorphous states. However, to date, quantitative data are scarce and limited as detecting small and transient structures (< nm, << 1s) is very challenging.
We have recently developed microfluidic mixers that provide reaction times after mixing (~ 100 µs) which are ten times shorter than those available with commercial mixers [3]. The use of these ultra-fast mixers will allow us to characterize, by X-ray scattering on a synchrotron source, the very first steps of YVO4 crystal nucleation, even before the formation of the amorphous network already observed with a commercial mixer [4]. The first experiments carried out in February 2020 at the DIAMOND synchrotron (United Kingdom) confirmed the feasibility of these measurements and provided first scientific results. It is now necessary to certify the reproducibility of the measurements and generalize the use of the microfluidic mixer to other experimental conditions (salt concentrations, pH value, nature of the salts) in order to prepare or consolidate the next experiments planned during spring 2021 at SOLEIL synchrotron.
This Master 2 internship corresponds to an experimental work, which will consist in producing the microfluidic chips in a clean room environment, then characterizing their typical mixing time according to the chosen flow rates, and carrying out crystallization experiments on chips, with optical microscopy monitoring. Additional laboratory experiments will be performed in order to characterize the final products, through the use of stationary luminescence spectroscopy, X-ray scattering measurements or TEM microscopy.
Mots clés/Keywords
Microfluidique, croissance cristalline, nanoparticules, diffusion X
Microfluidics, crystal growth, nanoparticles, X-ray scattering
Compétences/Skills
Lithographie douce, microfluidique, microscopie optique, diffusion X
Soft-lithography, microfluidics, optical microscopy, x-ray scattering
Logiciels
Windows standard softwares, python
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Développement d'un système microfluidique pour l'analyse de cellule unique marqués au tritium
Development of a microfluidic system for single cell analysis of their content in tritium-labeled drugs

Spécialité

Biophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03/05/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

MALLOGGI Florent
+33 1 69 08 63 28

Résumé/Summary
Développement d'un système microfluidique permettant de déposer de manière précise des cellules marquées au tritium afin d'en lire l'activité par imagerie beta.
Development of a microfluidic system for the precise deposition of tritium-labeled cells in order to read their activity by beta imaging.
Sujet détaillé/Full description
Contexte :
Notre compréhension du mode d'action des médicaments implique une meilleure résolution au niveau des tissus ciblés par un médicament. En effet, une évaluation précise de l'indice thérapeutique d'un médicament nécessite de déterminer sa quantité non seulement dans chaque cellule cancéreuse, mais aussi dans tous les types de cellules qui composent la tumeur : macrophages, fibroblastes, lymphocytes. En fait, il s'agit de quantifier un médicament au niveau d'une seule cellule.
Aujourd'hui, ce problème est soit abordé par le marquage des médicaments avec un groupe fluorescent, permettant de bénéficier de toutes les avancées liées à l'utilisation de la fluorescence, de la cellule unique à l'animal entier. Pour des raisons de quantification stricte, que la fluorescence ne permet pas, mais aussi en raison de l'altération très importante que le marquage fluorescent implique sur toutes les propriétés pharmacologiques d'un médicament, le marquage radioactif des médicaments (3H, 14C) est une stratégie plus appropriée. Néanmoins, pour réaliser l'avantage unique offert par le marquage radioactif, de nouvelles solutions doivent être mises en œuvre pour répondre aux contraintes de l'utilisation de ces isotopes, notamment pour le tritium. Pouvoir détecter et quantifier un médicament marqué au tritium au niveau d'une cellule représenterait une avancée majeure dans ce domaine.
Le projet MEDICA+ est une collaboration du CEA composée de biologistes et de physiciens pour travailler sur le développement d'un nouvel analyseur numérique d'autoradiographie. L'objectif final du projet est de construire une plate-forme microfluidique couplée à un prototype de détecteur capable de quantifier la dose exacte des médicaments marqués au tritium après administration in vivo à la population cellulaire.

Mission :
L'objectif de ce stage est consacré à la plate-forme microfluidique. Nous avons proposé une approche basée sur un piégeage hydrodynamique pour immobiliser les cellules (voir figure). Le candidat devra optimiser le dispositif existant (paramètres de réglage, nouveau design si nécessaire) et effectuer les premiers tests avec des cellules marquées au tritium. Pour ce faire, il sera en étroite collaboration avec des physiciens pour la partie microfabrication/microfluidique et avec des biologistes pour les cultures de cellules et l'imagerie bêta. Les cellules immobilisées seront d'abord imagées sur un imageur bêta commercial disponible auprès de l'un de nos partenaires et comparées au prototype de l'imageur bêta.

Profil :
Nous recherchons des candidats ayant une formation en ingénierie/biologie/physique, des compétences en microfluidique seront un atout mais ce n'est pas obligatoire. Le candidat sera motivé par les défis à relever au sein d'une équipe pluridisciplinaire.
Les candidats auront un profil d'expérimentateur.
Les candidats doivent parler anglais ou français et avoir de bonnes capacités de communication.
Context:
Our understanding of the mode of action of drugs involves a better resolution at the level of tissues targeted by a drug. In fact, an accurate assessment of the therapeutic index of a drug requires determining its quantity not only in each cancer cell, but also in all the cell types that make up the tumor: macrophages, fibroblasts, lymphocytes. In fact, it is a matter of quantifying a drug at the single cell level.

Today, this problem is either addressed by labelling drugs with a fluorescent group, allowing to benefit from all the advances related to the use of fluorescence, from the single cell to the whole animal. For reasons of strict quantification, which fluorescence does not allow, but also because of the very important alteration that fluorescent labelling implies on all pharmacological properties of a drug, radioactive drug labelling (3H, 14C) is a more appropriate strategy. Nevertheless, to realize the unique benefit offered by radioactive labeling, new solutions must be implemented to meet the constraints of the use of these isotopes, particularly for tritium. Being able to detect and quantify a tritium-labeled drug at the level of a cell would represent a major advance in the field.

The project MEDICA+ is a CEA collaboration composed of biologists and physicists to work on the development of a novel digital autoradiography analyzer. The final aim of the project is to build a microfluidic platform coupled to a detector prototype able to quantify the exact dose of the tritium-labeled drugs after in vivo administration to cell population.

Mission:
The aim of this internship is dedicated to the microfluidic platform. We proposed an approach based on a hydrodynamic trapping to immobilize the cells (see figure). The candidate will have to optimize the existing device (tuning parameters, new design if necessary) and make the first tests with tritium-labeled cells. To do so he/she will be in close collaboration with physicists for the microfabrication/microfluidics part and with biologists for cell cultures and beta-imaging. Immobilized cells will be imaged first on a commercial beta-imager available from one of our partners and compared to the beta-imager prototype.

Profile:
We are looking for applicants having a background such as Engineering/Biology/Physics, skills in microfluidics will be an asset but it is not mandatory. The applicant will be motivated by challenges in a multidisciplinary team.
Applicants will have an experimentalist profile.
Applicants shall speak English or French, and have good communication skills.
Mots clés/Keywords
Microfluidique, analyse de cellule unique
Microfluidics, single cell analysis
Compétences/Skills
Microscopie optique (lumière blanche, épifluorescence). Imagerie beta
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Étude expérimentale de l’effet du flux hydrodynamique sur la conformation de protéines adsorbées sur des nanoparticules.
Experimental study of the effect of the hydrodynamic flux on the adsorption of proteins at the surface of nanoparticles

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/02/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOBEAUX Frederic
+33 1 69 08 55 21

Résumé/Summary
Lors de l’introduction de nanoparticules dans un milieu biologique, il se forme une couche de protéines adsorbées à leur surface, ce qui a pour effet de leur donner une nouvelle identité biologique qui définira leur bioactivité. L’objectif de ce projet est d’étudier l’effet du flux hydrodynamique sur cette couche de protéines et la stabilité des nanoparticules.
Upon introduction of nanoparticles in a biological medium, proteins adsorb on their surface, giving them a new biological identity that will define their bioactivity. The aim of this project is to study the effect of the hydrodynamic flow on this protein layer and on the nanoparticle stability.
Sujet détaillé/Full description
La compréhension du devenir des nanoparticules dans les milieux biologiques est cruciale pour leur utilisation dans le cadre d’applications biomédicales. Nous savons qu’après l’injection de nanoparticules in vivo, les protéines en circulation s’adsorbent à leur surface et créent une couche appelée « couronne de protéines » qui confère au nanoparticules une nouvelle identité. Cette couronne va donc dicter la biodistribution, la pharmacocinétique, l’efficacité thérapeutique et la potentielle toxicité des nanoparticules. Tandis que l’étude de la structure, de la composition et de la dynamique de formation de cette couronne de protéines a déjà motivé de nombreuses recherches, nous en savons encore peu sur les effets du flux hydrodynamique alors qu’il s’agit d’une caractéristique crucial du milieu sanguin par exemple.
Nous proposons donc de déveloper une méthodologie pour apprécier le rôle du flux et du cisaillement sur le couple nanoparticules/protéines en combinant différentes techniques analytiques. En effet, nous nous intéresserons aussi bien à la stabilité et à l’integrité des nanoparticles (à l’aide de méthodes de diffusion, de le microscopie électronique) qu’aux changements de conformations subis par les protéines (à l’aide de méthodes spectroscopiques). Quand cela sera possible, les caractérisations auront lieu in situ.
Ce projet sera mené en collaboration avec Simona Mura (Institut Galien, Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry and Frank Wien (Synchrotron Soleil). Il est financé par le LabEx NanoSaclay.
Understanding the future of nanoparticles in biological media in of utmost importance for their potential use in biomedical applications. It is known that after in vivo administration of nanoparticles, their surface is rapidly covered by adsorbed proteins forming a so-called “corona” that strongly affects their biodistribution, pharmacokinetic, therapeutic efficacy and potential toxicity.1 While the structure and composition of this “protein corona” has already prompted a lot of research, the role of the hydrodynamic flow on the nanoparticle evolution in the presence of proteins (protein adsorption, nanoparticle aggregation or dissolution etc…) has so far received little attention although it is a key feature of blood medium.2
By combining different analytical techniques, we thus propose to develop a methodology to appreciate the effect of flow and shearing on the nanoparticles/proteins pair. Indeed, we will investigate the stability and integrity of the nanoparticles (scattering methods, cryo-TEM) as well as the conformational changes of the proteins (spectroscopic methods). When possible, these analyses will be performed in situ.
This project is carried out in collaboration with Simona Mura (Institut Galien, Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry and Frank Wien (Synchrotron Soleil). It is supported by the LabEx NanoSaclay.
Mots clés/Keywords
physico-chimie, biophysique, nanoscience
physical-chemistry, biophysics, nanoscience
Compétences/Skills
Dichroïsme circulaire, fluorescence, diffusion des rayons X/neutrons aux petits angles
Circular dichroism, fluorescence spectroscopy, small angle x-ray/neutron scattering
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Lutte contre le réchauffement climatique: capture du CO2 atmosphérique avec des nanofluides
Fight against climate change: atmospheric CO2 capture with nanofluids

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/05/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary
L'une des voies que le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur le Climat encourage fortement pour capturer le CO2 atmosphérique est l'utilisation d'amines liquides, suivie de la récupération et du stockage souterrain profond. Mais l'étape de récupération du CO2 est actuellement trop énergivore. Nous visons à comprendre comment l'ajout de nanoparticules peut mener à une récupération efficace en termes d'émission nettes de carbone.
One of the route the Intergovernmental Panel on Climate Change strongly encourages to capture atmospheric CO2 is the use of liquid amines, followed by recovery and deep underground storage. But the CO2 recovery step is currently too energy consuming. We aim at understanding how the addition of nanoparticles can meet a carbon-efficient recovery.
Sujet détaillé/Full description
Le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur le Climat (GIEC) souligne que pour atténuer le changement climatique, nous devons capturer c.a. 100 à 1000 GtCO2 dans le siècle à venir, et atteindre la neutralité carbone en 2050. L'une des voies fortement encouragées par le GIEC est le captage du CO2 par des amines liquides, suivi de sa récupération et son stockage souterrain profond. Mais un problème essentiel rend le procédé actuellement inefficace: la récupération du CO2 est réalisée par chauffage, et est trop énergivore.
Dans ce contexte, nous étudions comment l'ajout de nanoparticules améliore la récupération du CO2 des amines liquides. Ces «nanofluides» ont une efficacité reconnue, mais il y a peu d'indications sur la façon d'atteindre une composition appropriée, et aucun consensus sur le mécanisme d'amélioration. Notre objectif est de remplacer les approches actuelles d'essai-erreur par des lignes directrices rationnelles qui mèneront à la meilleure combinaison nanoparticule + amine liquide.

Le but de ce stage est de prouver / réfuter que la récupération du CO2 est bien décrite par des modèles de nucléation hétérogène de bulles. Ceci nécessitera de : i) réaliser les dispersions de nanoparticules dans les amines liquides, et d'évaluer in situ leur(s) taille(s), leur état de dispersion et leur surface active par diffusion des rayons X ii) mesurer le taux de nucléation des bulles avec un montage de laboratoire dédié iii ) confronter les résultats expérimentaux aux modèles de nucléation.
The Intergovernmental Panel on Climate Change1 (IPCC) has reported that in order to mitigate climate change, we must capture c.a. 100 to 1000 GtCO2 in the coming century and reach carbon neutrality in 2050. One of the route IPCC strongly encourages is the capture of CO2 by liquid amines, followed by recovery and deep underground storage. But a single bottleneck currently makes the net CO2 capture ineffective: the CO2 recovery is carried out by heating and is too energy consuming.
In this context, we study how the addition of nanoparticles improves the CO2 recovery from liquid amines. These “nanofluids” have an acknowledged improved efficiency, but there is little indication on how to reach a suitable composition, and no consensus on the mechanism. Our goal is to replace the current trial-and-error approaches with rational guidelines to find the best nanoparticle + liquid amine combination.

The aim of this internship is to prove / disprove that CO2 recovery is well-described by models of bubble heterogeneous nucleation. It requires: i) making the dispersions of nanoparticles in the liquid amines, and assessing in situ their size(s), dispersion state and active surface area by X-ray scattering ii) measuring the bubble nucleation rate with a custom-made setup iii) confront the experimental results to nucleation models.
Mots clés/Keywords
Nanoparticules, chimie des solutions
Nanoparticles, chimie des solutions
Compétences/Skills
Diffusion des rayons X, microscopie optique, théories de la germination
X-ray scattering, optical microscopy, nucleation theories
Logiciels
Python
PDF
Nanogouttes minérales: étude d'impact pour la séparation de terres rares
Mineral nanodroplets: impact study for rare-earth separation

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary
Nous avons découvert un mécanisme de précipitation exotique intervenant dans certains procédés de recyclage de terres rares. L'objectif de ce stage est d'en évaluer l'imapact sur les procédés existants, et son intérêt pour de nouvelles approches.
We have unveiled an exotic precipitation mechanism involved in some recycling processes of rare-earth elements. The goal of the internship is to evaluate its impact on existing processes, and its potential for new approaches.
Sujet détaillé/Full description
Notre «économie verte» (photovoltaïque, batteries au lithium) repose en grande partie sur les terres rares (TR); mais leur extraction soulève de lourdes préoccupations écologiques et leur recyclage reste rare. Tout progrès dans les processus de séparation et de précipitation profitera à l'équilibre environnemental mondial.

Dans ce contexte, nous avons mis en évidence la formation spontanée de «nanogouttelettes minérales» lors de la coprécipitation d'ions cérium par l'acide oxalique dans l'eau, étape clé dans certains processus de récupération des TR. Les nanogouttelettes minérales sont constituées d'un liquide riche en réactif qui se transforme en cristaux d'oxalate de cérium après plusieurs dizaines de secondes. Cette nanophase récemment dévouverte au laboratoire reste ignorée dans les processus actuels de séparation et de récupération.

L'objectif de ce stage est d'évaluer l'impact des nanogouttelettes minérales sur les processus existants, et d'explorer son potentiel pour des voies alternatives: i) évaluer leur sensibilité aux paramètres physico-chimiques pertinents pour les applications, ii) confrimer / infirmer leur existence dans un contexte plus large une variété de terres rares, et iii) évaluer leur mouillage avec des surfaces d'hydrophobicité et de tailles de pores variables (nm-µm).
Our “green economy” (photovoltaics, lithium batteries) largely relies on the rare-earth (RE) elements; but their extraction raises heavy ecological concerns, and their recycling is scarce. Any progress in the separation and precipitation processes will benefit the global environmental balance.

In this context, we evidenced the spontaneous formation of “mineral nanodroplets” during the co-precipitation of cerium ions by oxalic acid in water, a key step in some recovery process of RE. The mineral nanodroplets consist in a reactant-rich liquid that convert into the cerium oxalate crystals after several tens of seconds. This newly reported nanophase is ignored in the current separation and recovery processes.

The aim of this internship is to evaluate the impact of the mineral nanodroplets on existing processes, and explore its potential for alternative routes: i) assess their sensitivity towards physico-chemical parameters relevant to applications, ii) prove / disprove their existence in a broader variety of rare-earths, and iii) assess their wetting with surfaces of varying hydrophobicity and pore sizes (nm-µm).
Mots clés/Keywords
Séparation des terres rares, co-précipitation, nucléation non-classique, diffusion des rayons X, cro-microscopie, luminescence
Rare-earth separation, co-precipitation, non-classical nucleation, X-ray scattering, cryo-microscopy, luminescence
Compétences/Skills
Chimie des solutions, cryo-microscopie en transmission, spectroscopie de luminescence, diffusion des rayons X en laboratoire et synchrotron
Solution chemistry, cryo-electron transmission microscopy, luminescence spectroscopy, small-angle X-ray scattering in lab and synchrotron
Logiciels
Python
PDF
Synthèse automatisée de nanoparticules
Automatized synthesis of nanoparticles

Spécialité

Chimie des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary
Le contrôle de la taille de nanoparticules synthétisées en solution reste un défi. Il s'agit de mettre ici au point une synthèse pilotée par une mesure de taille en temps réel par diffusion des rayons X aux petits angles.
The control over the size of nanoparticles synthesized in solution remains a major challenge. Here, we will design a synthesis controled by a real-time size measurement by small-angle X ray scattering.
Sujet détaillé/Full description
La taille réduite des nanoparticules leur confère des propriétés exceptionnelles intéressantes pour une large gamme d'applications en optique, production et stockage d'énergie, et médecine pour n'en citer que quelques-unes. Très souvent, de telles applications nécessitent en retour un contrôle très fin de la taille, de la structure et de l'état d'agrégation des nanoparticules. Mais actuellement, ce contrôle n'est qu'approximatif et repose essentiellement sur des approches par essai et erreur.

Dans ce contexte, nous développons une approche où la synthèse de nanoparticules en solution est suivie en temps réel par diffusion de rayons X aux petits angles in situ (SAXS). L'objectif à long terme est de maîtriser les nanoparticules finales en réalisant un montage de synthèse automatisée, avec une boucle de rétroaction entre la taille, le nombre et l'état d'agrégation des nanoparticules mesurées par SAXS, et les paramètres opérationnels de la synthèse (injection de réactif, pH, température).

Le but de ce stage est de construire et valider le montage en synthétisant des nanoparticules modèles (SiO2), avec une précision sub-nanométrique sur la taille, et sans agrégation. Il consistera à 1) compléter la comparaison en temps réel des modèles SAXS avec des modèles physiques, 2) comprendre la dépendance des taux de nucléation, de croissance et d'agrégation avec les paramètres opérationnels en utilisant ou en améliorant les théories actuelles, et 3) utiliser cette compréhension fondamentale pour construire la boucle de rétroaction.
Owing to size reduction, nanoparticles have outstanding properties suitable for a broad range of applications, like optics, energy production and storage, and medicine to name a few. Such applications often require in turn a very delicate control over the size, structure and aggregation state of the nanoparticles. But currently, this control is only approximate and essentially relies on trial-and-error approaches.

In this context, we develop an approach where the synthesis of nanoparticles in solution is monitored in real time by in situ, small-angle X-ray scattering (SAXS). The long-term objective is to master the final nanoparticles by making an automatized synthesis setup, with a feedback loop between the size, number and aggregation state of the nanoparticles as measured by SAXS, and the operational parameters of the synthesis (injection of reactant, pH, temperature).

The aim of this internship is to build and validate the setup by synthesizing model nanoparticles (SiO2), with a sub-nanometer-scaled accuracy on the size, and no aggregation. It will consist in 1) completing the real-time comparison of SAXS patterns with physical models, 2) understand the dependency of the rates of nucleation, growth and aggregation with the operational parameters by using or improving current theories, and 3) use this fundamental understanding to build the feedback loop.
Mots clés/Keywords
Nanoparticules, diffusion des rayons X, théories de la nucléation / croissance
Nanoparticles, X-ray scattering, nucleation / growth theories
Compétences/Skills
Diffusion des rayons X aux petits angles, codage en Python, théories de la nucléation / croissance
Small-angle X-ray scattering, Python coding, nucleation/growth theories
Logiciels
Python

 

 

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