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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

19-06-2019

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' a comme objectif de développer 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 premières 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 first 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’aérospatial, 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 nanotubes de carbone, 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 nanotubes de carbone et de matériaux composites intégrant les nanotubes. Il a comme objectif de développer des méthodes de préparation de nuances originales de bétons intégrant des nanotubes de carbone multi-feuillets, puis d’analyser ces matériaux afin de déterminer la répartition des nanotubes, la densité, la viscosité, le temps de prise (aiguille Vicat, ATG). Des premières mesures de propriétés électriques et mécaniques seront réalisées durant ce stage. L’adaptation des techniques de caractérisation mécanique (Impluse Excitation Technique, nanoindentation, compression classique) 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. Its objective is to develop methods for the preparation of original grades of concretes integrating multi-layer carbon nanotubes, then to analyze these materials in order to determine the distribution of the nanotubes, the density, the viscosity, the setting time (needle Vicat, TGA). First measurements of electrical and mechanical properties will be carried out during this internship. The adaptation of mechanical characterization techniques (Impluse Excitation Technique, nanoindentation, conventional compression) 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.

Compétences/Skills

Synthèse CVD, MEB, ATG, mesures des densité, viscosité, nanoindentation
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Croissance et mise en forme de graphène pour application aux tissus à hautes performances

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

31-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CHARON Emeline
+33 1 69 08 53 05

Résumé/Summary

Ce projet vise à développer des textiles techniques fonctionnalisés à hautes performances qui présentent des propriétés hydrophobes et oléophobes ainsi qu’une conductivité électrique et thermique. Pour cela, l’objectif est de recouvrir les tissus de base par du graphène ou des matériaux graphitiques.

Sujet détaillé/Full description

Ce projet vise à développer des textiles techniques fonctionnalisés à hautes performances qui présentent des propriétés hydrophobes et oléophobes ainsi qu’une conductivité électrique et thermique. Pour cela, l’objectif est de recouvrir les tissus de base par du graphène ou des matériaux graphitiques. Deux voies sont envisagées : la voie gazeuse qui consiste à faire directement croitre du graphène sur les tissus, et la voie humide qui consiste à enduire les tissus d’une suspension de matériaux graphitiques.

La croissance de graphène par Dépôt Chimique en phase Vapeur (Chemical Vapour Deposition - CVD) (voie gazeuse) sur des substrats métalliques est à ce jour une méthode reconnue comme possédant un fort potentiel pour produire du graphène présentant une bonne qualité structurale comparativement aux méthodes mettant en œuvre un principe d’exfoliation en voie sèche ou en voie liquide. Le développement de la CVD à pression atmosphérique et à plus basse température que celle opérée dans le cas des substrats de cuivre (1100°C) demeure un challenge dans le contexte de débouchés commerciaux, notamment pour la fabrication de tissus à hautes performances. Ce procédé a déjà été mis en œuvre au sein du LEDNA et validé sur substrats métalliques à des températures de 650 à 850°C (thèse O. Duigou, 2015). Dans ce contexte, le sujet de stage propose de développer la croissance de graphène à basse température (400-600°C) sur substrat métallique ou sur support de quartz recouvert d’une couche métallique afin de transposer, par la suite, la synthèse sur des tissus techniques.
Une approche par voie humide sera également explorée. Elle sera basée sur des matériaux graphitiques divisés qui seront enduits en fin de stage sur les tissus d’intérêt. Après un choix des matériaux fait par une analyse de l’existant, les aspects formulation des solutions d’enduction associant matériaux graphitiques et liants polymères, de procédé d’enduction et d’immobilisation chimique des revêtements seront réalisés.

Pour les deux voies, une attention particulière sera portée sur le taux de couverture en graphène, le contrôle du nombre de couches de graphène et de sa qualité notamment par analyse en microscopie électronique à balayage (MEB) et par spectroscopie Raman. Des mesures électriques seront également réalisées.
Ce sujet se place dans le cadre d’un partenariat industriel.

Durée souhaitée : 6 mois
Profil : Ingénieur 3ème année ou master 2 sciences des matériaux ou chimie. Des compétences dans le domaine des nanosciences et nanotechnologies seront bienvenues.

Responsables du projet :
Mme Emeline Charon, emeline.charon@cea.fr, tel : 01 69 08 53 05
Mr Pascal Viel, pascal.viel@cea.fr, tel : 01 69 08 68 61

Les candidatures doivent être adressées par mail au responsable du projet et doivent comporter :
- une lettre de motivation
- un CV

Mots clés/Keywords

matériaux, nanosciences, nanotechnologies

Compétences/Skills

Dépôt Chimique en phase Vapeur microscopie optique microscopie électronique à balayage (MEB) spectroscopie Raman mesures électriques
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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 des solutions

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MARGUET Sylvie
+33 1 69 08 62 83

Résumé/Summary

Pour ce stage, nous proposons de fonctionnaliser des nanoparticules d’or pour les rendre biocompatibles (thérapie et bioimagerie) et de fabriquer des nanostructures en 2D, par autoassemblage, pour la plasmonique.
We propose to functionalize gold nanoparticles to make them biocompatible (therapy and bioimaging) and to fabricate 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 sein du 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-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”
2-S. Mitiche et al. , J. Phys. Chem. C, 2017, “Near-Field Localization of Single Au Cubes, a Predictive Group Theory Scheme.”
3-M. Pellarin et al. , ACS Nano, 2016, “Fano Transparency in Rounded Nanocube Dimers Induced by Gap Plasmon Coupling.”
4-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”
5-E. Le Moal et al., Physical Review B, 2016, “Engineering the emission of light from a scanning tunneling microscope using the plasmonic modes of a nanoparticle”

Compétences/Skills

Chimie colloïdale et sol-gel. Microscopies électroniques MEB et TEM. Spectroscopie d'extinction en solution.
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Matériaux composites Si@C nanostructurés pour anodes de batteries Li-ion à haute densité d’énergie

Spécialité

Chimie des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

22-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

HERLIN Nathalie
+33 1 69 08 36 84

Résumé/Summary

Dans le cadre de la recherche sur les batteries à haute densité d'énergie, le sujet porte sur l'élaboration de composites S-graphite en utilisant comme matériau actif des nanoparticules silicium pré-enrobées de carbone synthétisées au CEA. Ces composites seront testés en piles bouton. Le travail est localisé à Grenoble.

Sujet détaillé/Full description

Le silicium apparaît comme un matériau d’électrode négative prometteur pour les batteries Li-ion. En effet, sa capacité spécifique théorique de 3579mAh/g lui permet d’être une alternative au graphite (372mAh/g) pour les applications à haute densité d’énergie. Cependant, il présente une expansion volumique pouvant atteindre près de 300% lors de l’insertion du lithium. Ces variations de volume conduisent à la pulvérisation des particules et à l’instabilité de l’interface solide-électrolyte (SEI), et donc à la dégradation des électrodes et à la chute rapide des performances électrochimiques au cours des cycles de charge-décharge.

Des améliorations sont possibles en réduisant la taille des particules autour de 100nm afin de limiter la décrépitation mécanique [1] ou bien en développant des composites silicium-carbone avec des nanostructures complexes [2]. Ainsi, la structure des électrodes reste stable mais les phénomènes aux interfaces deviennent prépondérants et tous les critères de performances requis pour une densité d’énergie élevée ne sont plus respectés.

Des nanoparticules originales cœur – coquille de silicium revêtu de carbone, Si@C, sont synthétisées par un procédé de pyrolyse laser double étage dans le cadre d’une collaboration interne [3]. Ces particules, utilisées en tant qu’anode de batteries Li-ion, permettent d’obtenir des performances très intéressantes au niveau de l’état de l’art. Cependant, la surface spécifique élevée de ces nanopoudres est un inconvénient pour la mise en œuvre et la capacité spécifique irréversible initiale. L’objectif du stage est, dans un premier temps, de développer la synthèse de composites silicium – carbone à partir de ces nanoparticules en poursuivant des travaux en cours. Les matériaux Si@C sont mélangés à du graphite et à un précurseur organique de carbone transformé en carbone amorphe par décomposition thermique. Les performances électrochimiques de ces matériaux seront évaluées en pile bouton face à du lithium métal. Dans un second temps, les matériaux les plus performants seront testés en cellules Li-ion dans une configuration plus représentative de l’application finale.

[1] Liu X.H. et al, ACS nano, 6(2), 1522–1531, 2012.
[2] Wu H. et al , Nano Today 7, 414-429, 2012.
[3] One-step synthesis of Si@C nanoparticles by laser pyrolysis: high-capacity anode material for lithium-ion batteries
J. Sourice, A. Quinsac, Y. Leconte, O. Sublemontier, W. Porcher, C. Haon, A. Bordes, E. De Vito, A. Boulineau, S. Jouanneau, S. Larbi, N. Herlin-Boime and C. Reynaud, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6637−6644.

Mots clés/Keywords

Electrochimie

Compétences/Skills

Méthodes d’élaboration et caractérisation de matériaux : fours, presses, DRX, BET, microscope... Mesures de propriétés électrochimiques
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Synthese de composites fonctionnels par pyrolyse laser
Synthesis of functional composites by laser pyrolysis

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

HERLIN Nathalie
+33 1 69 08 36 84

Résumé/Summary

Le sujet de thèse porte sur la synthèse par pyrolyse laser de nanocomposites fonctionnels de deux familles. La première famille de nanocomposites concerne les céramiques de type carbure et nitrure d’éléments de transition et la deuxième les nanocomposites « cœur-coquille » à base d’oxyde de fer magnétiques
The thesis subject is the synthesis by laser pyrolysis of functional nanocomposites of two families. The first family of nanocomposites concerns carbide and nitride ceramics with transition elements and the second nanocomposites "heart-shell" based on magnetic iron oxide.

Sujet détaillé/Full description

Projet de stage
CEA-Saclay, Direction de la recherche fondamentale, CEA-CNRS UMR 3685 NIMBE, Saclay, France.
National Institute for Materials Science, CNRS-UMI 3629 LINK, Tsukuba, Japon.
Université de Rennes, CNRS-UMR 6226 ISCR, Rennes, France.

Localisation 3 mois CEA-Saclay – 2-3 mois LINK (Tsukuba, Japon)
Contexte. Ce stage s’inscrit dans le cadre d’une collaboration internationale entre le laboratoire Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie du CEA-Saclay (UMR CEA-CNRS 3685), le ‘Laboratory of Innovative Materials and Key Structures’ LINK localisé au National Institute for Materials Science (NIMS) à Tsukuba au Japon (LINK-UMI CNRS-Saint-Gobain 3629).
Une partie du sujet sera en support d’une thèse en cours à l’Université de Rennes entre l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, le Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques (CNRS-Saint-Gobain) de Cavaillon et le LINK.

Objectifs. Le sujet de thèse porte sur la synthèse par pyrolyse laser de nanocomposites fonctionnels de deux familles. La première famille de nanocomposites concerne les céramiques de type carbure et nitrure d’éléments de transition et la deuxième les nanocomposites « cœur-coquille » à base d’oxyde de fer magnétiques. Ces nanomatériaux présentent un intérêt croissant en catalyse hétérogène ou pour des applications en biotechnologies. Le stage, à caractère fondamental, consistera à synthétiser ces nanomatériaux par pyrolyse laser sur le site du CEA-Saclay, et à caractériser leurs propriétés structurales et microstructurales au LINK. Le stagiaire sera donc amené à effectuer un séjour de plusieurs mois au Japon. Une bourse du NIMS incluant le logement et des frais journaliers (2600 JPY/jour) sera demandée. Le billet AR sera pris en charge en fonction des possibles bourses obtenues par l’étudiant(e).
Déroulement des travaux. Concernant la synthèse des nanocomposites, la méthode envisagée est la pyrolyse Laser, cette méthode originale repose sur l’interaction en un précurseur gazeux ou liquide et un laser CO2 de puissance. Elle permet d’obtenir des particules variées dans une gamme de taille ajustable de 20 à 80 nm avec des taux de production de la dizaine de g/heure pour le TiO2 par exemple. Dans le cadre du stage, les précurseurs employés seront des nanoparticules de α-Fe2O3, des précurseurs commerciaux ou des clusters de métaux de transition. Ces derniers seront synthétisés à Rennes dans l’équipe CSM. Ces précurseurs seront dispersés dans un liquide pour être injectées dans le faisceau laser afin d’obtenir des céramiques carbure ou nitrure. Le stagiaire effectuera aussi des synthèses pour enrober des nanocristaux de Fe2O3 avec une couche de silice, les particules d’oxyde de fer seront préformées et la silice sera synthétisée in situ à partir d’un précurseur de type TEOS. Les produits obtenus seront caractérisés par observation MEB, DRX et ATG à Saclay. Des analyses élémentaires HRTEM, XRF, EDS et EPMA seront réalisées au LINK.
Ce projet en collaboration entre plusieurs laboratoires pourrait en fonction des résultats constituer la première étape d’une collaboration de plus longue durée et se poursuivre dans le cadre d’une thèse (financement non acquis à ce jour).
Profil recherché : M2 ou Ingénieur 3A – chimie, matériaux
Anglais impératif

Contact Univ. Rennes : F. Grasset, Email : fabien.grasset@univ-rennes1.fr

Compétences/Skills

Pyrolyse laser

 

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