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Bétons intelligents intégrant des nanotubes de carbone
Smart concretes incorporating carbon nanotubes

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

13/05/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

PINAULT Mathieu
+33 1 69 08 91 87

Résumé/Summary
Le sujet de stage proposé s’inscrit dans le contexte du développement de bétons 'intelligents' avec comme objectif de poursuivre le développement des méthodes de préparation de nuances originales de bétons intégrant des nanotubes de carbone multi-feuillets, puis d’analyser ces matériaux afin de réaliser des mesures de propriétés électriques et mécaniques des matériaux élaborés.
The subject of the proposed internship is in the context of the development of 'smart' concretes, with the objective of developing methods for the preparation of original grades of concretes incorporating multi-layer carbon nanotubes, and then analyzing these materials in order to achieve measurements of electrical and mechanical properties of the materials developed.
Sujet détaillé/Full description
L’avènement des matériaux intelligents, nés au début des années 80 dans le secteur de l’aérospatiale, concerne aujourd’hui tous les domaines d’activités, et notamment les bétons qui deviennent adaptatifs et évolutifs. Le « béton intelligent » est un béton dont les fonctions sont inscrites dans la matière. Elles lui permettent de se comporter comme un capteur (détection des signaux) ou comme un actionneur (action sur leur environnement). Ils sont ainsi capables de modifier leurs propriétés physiques en réponse à une sollicitation intérieure ou extérieure. Ces propriétés sont obtenues grâce à l’incorporation de nouveaux éléments : classiquement fils métalliques ou de polypropylène, ou même fibres voire nanotubes de carbone (NTC), nanoparticules…
Le sujet de stage proposé s’inscrit dans ce contexte et s’appuie sur les compétences de deux laboratoires : le LECBA qui possède une expertise dans la préparation et l’étude des propriétés des bétons et le LEDNA dont l’expertise repose sur un savoir-faire dans la synthèse et la caractérisation de NTC et de matériaux composites intégrant les nanotubes. Ce travail en collaboration a déjà permis en 2019 de définir un procédé d’élaboration de nuances originales de pâtes de ciments intégrant des NTC multi-feuillets, puis d’analyser ces matériaux en terme de propriétés mécaniques et électriques afin d’étudier l’effet de l’incorporation de ces nanocharges.
Le projet proposé a comme objectif de poursuivre le développement des méthodes de préparation spécifiques adaptées à des formulations industrielles obtenues à partir de plusieurs formes de NTC. Le travail de 2020 sera orienté sur la synthèse puis la dispersion des NTC pour l’élaboration de microbétons. Différentes méthodes de caractérisation seront utilisées pour déterminer la répartition des nanotubes, leur densité, la viscosité ou le temps de prise du matériau cimentaire (aiguille Vicat, ATG). Des mesures de propriétés électriques et mécaniques seront également réalisées durant ce stage. L’adaptation des techniques de caractérisation mécanique (Impulse Excitation Technique, nanoindentation, compression classique, traction, énergie de fissuration) à des éprouvettes de petites dimensions inhabituelles sera à prendre en compte.
Parallèlement à ce travail expérimental, un travail de recherche bibliographique sera mené de manière à identifier les dernières avancées dans le domaine et à envisager les perspectives d’applications.
The development of smart materials, born in the early 80's in the aerospace sector, today concerns all areas of activity, including concretes that become adaptive and evolving. "Smart concrete" is a concrete whose functions are written in the material. They allow it to behave like a sensor (signal detection) or as an actuator (action on their environment). They are thus able to modify their physical properties in response to an internal or external stress. These properties are obtained thanks to the incorporation of new elements: classically metal or polypropylene wires, or even carbon nanotubes, nanoparticles, ...
The subject of the proposed internship fits into this context and relies on the skills of two laboratories: LECBA, which has expertise in the preparation and study of concrete properties, and LEDNA whose expertise is based on knowledge -to do the synthesis and characterization of carbon nanotubes and composite materials integrating nanotubes. This collaborative work has already made it possible in 2019 to define a process for the elaboration of original grades of cement pastes incorporating multi-layer CNT, then to analyze these materials in terms of mechanical and electrical properties in order to study the effect of the incorporation of these nanofillers.
The proposed project aims to continue the development of specific preparation methods adapted to industrial formulations obtained from several forms of CNTs. The work of 2020 will focus on the synthesis and dispersion of CNTs for the production of microconcretes. Various characterization methods will be used to determine the distribution of nanotubes, their density, the viscosity or the setting time of the cementitious material (Vicat needle, TGA). Measurements of electrical and mechanical properties will also be made during this course. The adaptation of mechanical characterization techniques (Impulse Excitation Technique, nanoindentation, conventional compression, traction, cracking energy) to unusual small specimens will have to be taken into account.
In parallel with this experimental work, a bibliographic research work will be conducted in order to identify the latest advances in the field and to consider the prospects of applications.
Mots clés/Keywords
Nanotubes de carbone, bétons, synthèse CVD
Carbon nanotubes, concrete, CVD
Compétences/Skills
Synthèse CVD, MEB, ATG, mesures des densité, viscosité, nanoindentation
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Croissance contrôlée de nanotubes de carbone alignés sur supports métalliques pour application au stockage de l’énergie
Controlled growth of aligned carbon nanotubes on metal supports for application to energy storage

Spécialité

Chimie des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

16/04/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

PINAULT Mathieu
+33 1 69 08 91 87

Résumé/Summary
Contrôler la synthèse des tapis de NTC alignés (alignement, longueur...) sur supports métalliques (feuilles d’Al ou alliages). Comprendre les mécanismes de croissance en menant des analyses de l’interface NTC/Al et des analyses in-situ
Control the synthesis of aligned CNT carpets (length, alignment ...) on metal supports (Al sheets or alloys). Understand the growth mechanisms by conducting CNT/ Al interface and in-situ analyzes
Sujet détaillé/Full description
La méthode de CVD (Chemical Vapour Deposition) à partir d’aérosols permet d’obtenir des tapis denses de nanotubes de carbone (NTC) alignés dont les applications sont prometteuses dans des domaines variés et en particulier dans le domaine des électrodes de supercondensateurs pour le stockage électrochimique de l’énergie [1-2]. Dans le cadre d’un projet collaboratif nous avons développé la croissance contrôlée de NTC alignés sur des supports d’intérêt pour l’élaboration d’électrodes de supercondensateurs ce qui nécessite dans certains cas un abaissement de la température de croissance des NTC alignés jusqu’à une température inférieure à 650°C [3]. L’objectif du projet est de contrôler la synthèse des tapis de NTC alignés sur collecteurs de courant métalliques (feuilles d’Al) fins avant de les associer avec d'autres matériaux actifs (carbone, polymères conducteurs) dans la suite du projet. L’approche adoptée consistera d’une part à mener des études expérimentales visant à ajuster les paramètres de synthèse (température, gaz, nature des précurseurs carbonés ou du support…) dans le but de maîtriser les caractéristiques des NTC formés (alignement, longueur…). L’effet de post traitements appliqués au collecteurs VACNT/Al sera également étudié. Une attention particulière sera portée sur le contrôle du diamètre et de la densité notamment par analyse en microscopie électronique (MEB et MET) et sur l’effet de ces variations de morphologies et structures des NTC alignés sur leurs performances électrochimiques.
[1] S. Lagoutte et al, Electrochimica Acta, 130, (2014), 754–765
[2] P. Boulanger et al., Journal of Physics: Conference Series 429 (2013) 012050
[3] F. Nassoy et al., Nanomaterials, 9, (2019), 1590
The aerosol-assisted CVD (Chemical Vapor Deposition) method leads to obtain dense arrays of aligned carbon nanotubes (CNTs), whose applications are promising, in particular in the field of supercapacitor electrodes for electrochemical storage of energy [1-2]. As part of a collaborative project we developed the controlled growth of aligned CNTs metal current collectors for the elaboration of supercapacitor electrodes which in some cases requires a lowering of the CNT growth temperature below 650 °C. The objective of the project is to control the synthesis of vertically aligned CNT on thin metal current collectors (Al) before associating them with other active materials (carbon, conductive polymers) during the project. The approach will consist in adjusting the synthesis parameters (temperature, gas, nature of the precursors or substrate ...) in order to control the characteristics of the CNTs formed (alignment, length ...). The effect of post-treatments applied to the VACNT/Al collectors will also be studied. Particular attention will be paid to the control of the diameter and the density followed by electron microscopic analysis (SEM and TEM) and on the effect of these variations of morphologies and structures of the aligned CNTs on their electrochemical performances.

[1] S. Lagoutte et al, Electrochimica Acta, 130, (2014), 754–765
[2] P. Boulanger et al., Journal of Physics: Conference Series 429 (2013) 012050
[3] F. Nassoy et al., Nanomaterials, 9, (2019), 1590
Mots clés/Keywords
Nanotubes de carbone, aluminium, croissance CVD, electrochimie
Carbon nanotube, Al, CVD growth, electrochemistry
Compétences/Skills
CVD, SEM, TEM, TGA, Raman, électrochimie
CVD, SEM, TEM, TGA, Raman, electrochemistry
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Fonctionnalisation et assemblage de nanoparticules d’or pour la plasmonique et la nanomédecine.
Functionalization and assembly of gold nanoparticles for plasmonics and nanomedicine.

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

15/04/2020

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MARGUET Sylvie
+33 1 69 08 62 83

Résumé/Summary
Nous proposons de fonctionnaliser des nanoparticules d’or pour les rendre biocompatibles et de fabriquer des nanostructures en 2D par auto-assemblage pour la plasmonique.
We propose to functionalize gold nanoparticles making them biocompatible and to build 2D nanostructures by self-assembly for plasmonics.
Sujet détaillé/Full description
Nos activités se concentrent sur la synthèse et l'auto-assemblage de nanoparticules d'or (Au-NPs) de haute qualité, avec des tailles et des formes variées, afin de disposer de matériaux appropriés pour la recherche dans les domaines de la plasmonique et du médical (thérapie/imagerie/diagnostic). Les propriétés de ces nanostructures sont étudiées en collaborant avec des experts afin de découvrir des propriétés inattendues (1-5).
Nous synthétisons des Au-NPs, non disponibles commercialement, tels que des cubes, triangles ou plaquettes de tailles et d’épaisseurs variables. L’excitation des plasmons déclenche une cascade de processus complexes qui amène ces NPs à se comporter comme des nanosources de lumière, de chaleur ou de porteurs chauds (électron/trou) selon leur morphologie, leur environnement proche et le mode d'irradiation (continu ou pulsé). Il a été montré récemment que ces Au-NPs, peuvent générer de l'oxygène singlet (1O2) et des radicaux libres de l'eau (ROS) utiles pour la photothérapie du cancer (projet PLAN CANCER Heppros). Les points chauds (électromagnétiques) existants entre des AuNPs organisées en réseaux bidimensionnel (2D) sur un substrat, offrent des interstices de très petites tailles dont nous tirerons parti pour exalter l’interaction lumière-matière, générer de la chaleur (thermoplasmonique) ainsi que des transferts de charge (nanophotochimie) de façon très localisée.

Le stage se déroulera au LEDNA au CEA-Saclay (DRF-IRAMIS-NIMBE-LEDNA). Il consistera à développer un savoir-faire d’auto-assemblage en 2D de nanoparticules d’or à l’interface entre deux liquides. Dans un deuxième volet il s’agira de les enrober d’une couche de silice (cœur-coquille Au@SiO2) dans le but de les rendre biocompatibles et notamment permettre leur incorporation dans des neurones (projet ANR Sinapse). Ce travail pourra être poursuivi en thèse.

1) A. Movsesyan, et al., J. Opt. Soc of America, 2019 ,“Influence of the CTAB surfactant layer on optical properties of single metallic nanospheres”
2) C Molinaro et al. , Phys Chem Chem Phys, 2018, “From plasmon-induced luminescence enhancement in gold nanorods to plasmon-induced luminescence turn-off: a way to control reshaping”
3) S. Mitiche et al. , J. Phys. Chem. C, 2017, “Near-Field Localization of Single Au Cubes, a Predictive Group Theory Scheme.”
4) M. Pellarin et al. , ACS Nano, 2016, “Fano Transparency in Rounded Nanocube Dimers Induced by Gap Plasmon Coupling.”
5) C.Molinaro et al. , J. Phys. Chem. C, 2016, “Two-photon luminescence of single colloidal gold nanorods: revealing the origin of plasmon relaxation in small nanocrystals”
Mots clés/Keywords
Plasmonique, photochimie
Compétences/Skills
Chimie colloïdale et chimie sol-gel. Microscopies électroniques MEB et TEM. Spectroscopie d'extinction.

 

 

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