UMR 3685 NIMBE : Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie
NIMBE (Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie) est une Unité Mixte de Recherche CEA‐CNRS (UMR 3685), spécialisée dans la conception, le façonnage et l'analyse de la matière de l’échelle du micron à l'échelle nanométrique, ainsi que la compréhension des mécanismes physicochimiques et leurs synergies à ces échelles.
L'ensemble de ces approches est appliqué en priorité aux grands enjeux sociétaux que sont les (nano)matériaux pour la gestion durable de l’énergie, le traitement de l'information, l’environnement, le diagnostic biomédical, le patrimoine…
NIMBE compte une centaine de chercheurs et techniciens permanents et s’appuie sur 7 laboratoires :
- Laboratoire Archéomatériaux et prévision de l’altération (LAPA, commun avec l'IRAMAT UMR5060)
- Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Energie (LCMCE)
- Laboratoire d’Etude des Eléments légers (LEEL)
- Laboratoire Interdisciplinaire sur l’Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS)
- Laboratoire Innovation en Chimie de Surface et Nanosciences (LICSEN)
- Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA)
- Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (LSDRM)
L’unité fait partie des membres fondateurs de la Fédération de chimie physique du plateau de Saclay (FR3510 CNRS) et fait partie, via le CEA-Centre de Saclay en tant qu'organisme de recherche, de l'Université Paris-Saclay.
Ses principaux domaines d’activité transverses sont :
- Économie circulaire - environnement
Plusieurs thématiques de recherche du NIMBE concourent à mieux contrôler notre environnement (analyse, méthodes) et assurer la meilleure gestion possible de nos déchets : - Matériaux, nanomatériaux, matériaux pour l'électronique, l'énergie et matériaux du patrimoine
- Les recherches fondamentales sur les matériaux permettent de développer des méthodes pour élaborer des matériaux complètement nouveaux aux propriétés originales. Ces recherches permettent également d'adapter les matériaux pour obtenir les meilleures performances dans la réaliation de dispositifs électroniques ou optiques.
- Une autre voie de recherche est d'adapter les matériaux pour obtenir les meilleures performances dans la production d'énergie, pour résister à la corrosion, obtenir des matériaux fonctionnalisés ou encore avec de bonnes propriétés catalytiques.
- Des méthodes théoriques et des simulations permettent de guider ces recherches pour la réalisation de matériaux "à façon".
- Nouvelles technologies de l'énergie
Un effort intense de recherche fondamentale est indispensable aujourd'hui, pour proposer demain de nouvelles avancées technologiques originales, permettant la réduction de nos émissions de CO2 et la nécessaire transition énergétique (sortir des sources d'énergies fossiles). - Biologie et santé / Biology and health
Plusieurs laboratoires du NIMBE ont une activité de recherche en lien avec la biologie ou la santé :-
Le LICSEN développe des technologies innovantes permettant d'obtenir des surfaces et nanostructures fonctionnalisées qui ont de multiples applications pour la biologie et les soins de santé : biocapteurs, implants, administration de médicaments, surfaces bactéricides...
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Les techniques de RMN/IRM développées par le LSRDM sont à l'interface entre la physique, la chimie et la biologie. La spectroscopie et l'imagerie RMN permettent notamment l'étude de macromolécules biologiques et du metabolome d'échantillon biologiques (cellules, tissus et organismes) et le développement de technologies pour la médecine du futur.
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Au sein du LIONS, les études de dispositifs microfluidiques trouvent de multiples applications pour les études en biologie.
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Le LEDNA avec le LIONS sont aussi très impliqués sur les études en nano-toxicologie.
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The "Nanosciences and Innovation for Materials, Biomedicine and Energy " research Unit (UMR 3685 CEA‐CNRS)
NIMBE (Nanosciences and Innovation for Materials, Biomedicine and Energy) is a CEA-CNRS Joint Research Unit (UMR 3685), specialized in the design, shaping and analysis of matter from the micron to the nanometer scale, as well as the understanding of physicochemical mechanisms and their synergies at these scales.
All of these research approaches are applied in priority to the major societal challenges of (nano)materials for sustainable energy management, information processing, environment, biomedical diagnostics, ancient heritage materials, etc...
NIMBE gather about a hundred permanent scientists and technicians and relies on 7 laboratories:
- Laboratory for Archaeomaterials and Prediction of Alteration (LAPA, joint with IRAMAT UMR5060)
- Molecular Chemistry and Catalysis for Energy Laboratory (LCMCE)
- Laboratory for the Study of Light Elements (LEEL)
- Interdisciplinary Laboratory on Nanometric and Supramolecular Organization (LIONS; NanoSaclay)
- Laboratory for Innovation in Surface Chemistry and Nanosciences (LICSEN)
- Nanometric Engineering Laboratory (LEDNA; NanoSaclay)
- Laboratory on Structure and Dynamics by Magnetic Resonance (LSDRM; PALM)
The unit is one of the founding members of the Fédération de chimie physique du plateau de Saclay (FR3510 CNRS) and, via the CEA-Centre de Saclay as a research organization, is part of the Université Paris-Saclay.
#2301 - Màj : 20/12/2023
Thèmes de recherche
Biologie et santé / Biology and health @ NIMBE
Plusieurs laboratoires du NIMBE ont une activité de recherche en lien avec la biologie ou la santé : Le LICSEN développe des technologies innovantes permettant d'obtenir des surfaces et nanostructures fonctionnalisées qui ont de multiples applications pour la biologie et les soins de santé : biocapteurs, implants, administration de médicaments, surfaces bactéricides...
Les recherches fondamentales sur les matériaux permettent de développer des méthodes pour élaborer des matériaux complètement nouveaux aux propriétés originales. Ces recherches permettent d'adapter les matériaux pour obtenir les meilleures performances dans la réaliation de dispositifs électroniques ou optiques.
Nouvelles technologies de l'énergie @ NIMBE
Un effort intense de recherche fondamentale est indispensable aujourd'hui, pour pouvoir proposer demain de nouvelles avancées technologiques originales, permettant de faire faire face à la transition énergétique, permettant la nécessaire réduction de nos émissions de CO2.
Économie circulaire - environnement @ NIMBE
Plusieurs thématiques de recherche du NIMBE concourent à mieux contrôler notre environnement (analyse, méthodes) et assurer la meilleure gestion possible de nos déchets : Recyclage (LICSEN) La maitrise de nos ressources en éléments chimiques de haute valeur, la nécessité de ne plus rejeter de carbone fossile dans l'atmosphère imposent aujourd'hui une transition énergétique et économique majeure, où le recyclage de nos matières premières (terres rares, plastiques, CO2.
Groupes de recherche / Laboratoires
Le Laboratoire "Archéomatériaux et Prévision de l’Altération" LAPA réunit des équipements et des chercheurs du CEA (NIMBE) et du CNRS (NIMBE UMR3685 et IRAMAT UMR7065). Le LAPA est spécialisé dans l’étude des systèmes composites constitués pour partie de matériaux métalliques.
Au sein du Laboratoire d’Étude des Éléments Légers (LEEL), les thèmes de recherche se concentrent autour du comportement des éléments légers dans les matériaux pour l'énergie. Les activités vont de la synthèse des matériaux à la caractérisation.
LCMCE
Le Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Energie (LCMCE) est spécialisé dans l’étude et la synthèse de composés moléculaires actifs, basés sur la chimie des métaux de transition, des éléments f et des éléments du groupe principal.
Responsable : Mathieu Pinault
Le LEDNA (Laboratoire Edifices Nanométriques) comprend 18 permanents et une douzaine de doctorants, post-doctorants et CDD.
Axée sur la recherche fondamentale en nanosciences, son expertise porte sur le développement, selon une approche bottom-up, de méthodes de synthèse et d’élaboration de nano-objets ou matériaux nanostructurés originaux.
LIONS 
Gold, emulsions, imogolites and microfluidics
Découvrez le site internet du groupe Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (LIONS).
Discover the internet WEBsite of the LIONS (Interdisciplinary Laboratory on Nanoscale and Supramolecular Organization).
LSDRM
Le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (LSDRM) fait partie du NIMBE - UMR CEA-CNRS 3685.
Les recherches menées au LSDRM sont centrées sur le développement et l’utilisation de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).
Domaines Techniques
Les laboratoires de l'IRAMIS maitrisent de nombreux procédés de synthèse chimique en phase gaz (production de nanoparticules) ou en solution (molécules, catalyseurs...), avec l'objectif de développer de nouveaux procédés chimiques (chimie verte, énergie, recyclage...), d'élaborer des nanomatériaux, ou encore pour obtenir des cristaux de céramiques de haute qualité (supraconducteurs notamment).
Analyse chimique en ligne au LEDNA
Analyse en ligne de jets de nanoparticules
Analyses thermogravimétriques au LEDNA
CVD pour la synthèse de nanotubes de carbone verticalement alignés et de graphène
Dépôt de films minces à partir de la voie liquide
Mesures de surface spécifique et porosité (LEDNA)
Nanofabrication : Mélange et dispersion de nanoparticules ou de nanotubes de carbone
Recuit 2200°c sous atmosphère inerte / Poste de pesée fractionnement
Simulation numérique pour la catalyse au LCMCE / LCMCE numerical simulation for catalysis
La spectrométrie de masse est une technique instrumentale d’analyse reposant sur la séparation, l’identification et la quantification des éléments constitutifs d’un échantillon en fonction de leur masse. Ainsi les atomes, molécules ou aggrégats sont extraits sous forme d'ions, puis triés par un système dispersif : secteur de champ électrique ou magnétique, filtre quadripolaire ou temps de vol.
Si les surfaces possèdent intrinsèquement des propriétés intéressantes (propriétés optiques ou magnétiques, interface électronique, catalyse, fonction biologique, ...), des fonctions spécifiques peuvent être ajoutées par nanostructuration, ou en déposant un revêtement, ou encore par l'adsorption ou le greffage de molécules aux propriétés spécifiques.
Les rayons X, rayonnement électromagnétique au delà de l'ultra-violet lointain, couvrent une gamme de longueur d'onde autour du dixième de nanomètre. Cette distance est de l'ordre de la distance entre atomes dans la matière condensée. Ainsi les rayons X peuvent interagir avec ces atomes (diffraction) ou les électrons (diffusion).
Patrick Berthault (NIMBE) et C. Fermon (SPEC)
Alternative à la diffraction des rayons X, la RMN est une méthode ben adaptée à l’étude des protéines et la caractérisation des produits chimiques de synthèse, ainsi que l’étude des matériaux désordonnés comme les verres, les polymères ou les bétons.
Noble gas spin-exchange optical pumping (SEOP) setup in a van
Plusieurs types de microscopies électroniques sont disponibles à l'IRAMIS :
- Microscopie à transmission (TEM : Transmission Electron Microscope), qui permet d'atteindre les plus hautes résolutions par diffusion/difffraction d'un faisceau d'électrons à travers un échantillon ultra-mince
- Microscopie MEB et MEB-FEG (SPAM et SIS2M), ou microscopie à balayage, pour laquelle un faisceau d'électrons balaye la surface de l'échantillon permettant d'obtenir une image de sa surface.
L'éclairement, par un rayonnement suffisamment énergétique, de la surface d'un matériau peut conduire à l'émission d'électrons dont la spectroscopie (étude en énergie) apporte des informations sur la composition de la surface étudiée.
X-rays are used to investigate the structural properties of solids, liquids or gels. Photons interact with electrons, and provide information about the fluctuations of electronic densities in heterogeneous matter. A typical experimental set-up is shown on Figure : a monochromatic beam of incident wave vector is selected and falls on the sample. The scattered intensity is collected as a function of the so-called scattering angle 2 teta.
SWAXS Lab -Saclay : The SAXS/ GISAXS/ X-ray reflectomer beamline
Les nanotechnologies requièrent de réaliser des édifices complexes à l'échelle atomique. Ceux-ci sont généralement réalisées par dépôts sur un substrat (métal ou oxyde).
La microscopie électrochimique (SECM, pour Scanning ElectroChemical Microscopy) est une technique électrochimique qui s’est développée à partir de la fin des années 90. Elle consiste à approcher une électrode de taille micrométrique d’une surface qu’on cherche à étudier.
Permanents impliqués : Mickaël Bouhier, Jean-Charles Méaudre.
La Reflectance Transformation Imaging (RTI), ou imagerie de transformation par réflectivité, est une méthode d’imagerie basée sur la compilation de clichés dont la seule variable est l’orientation de la source lumineuse. Cette technique, dite 2.
L'électrochimie est utilisée dans une large diversité de situations, que ce soit pour analyser des processus (corrosion, mécanismes de réactions en solution, etc... ) ou pour caractériser des matériaux -entre autre pour l'énergie.
A l’IRAMIS, l’électrochimie est utilisée dans une large diversité de situations, que ce soit pour analyser des processus (corrosion, mécanismes de réactions en solution, etc... ) ou pour caractériser des matériaux. Dans ce dernier volet, l’iramis a de nombreuses activités en électrocatalyse, dans les batteries, ou en biodétection.
La microfluidique est la science et la technologie des systèmes qui manipulent et transforment de petites quantités de fluides (nanolitre à attolitre), en utilisant des canaux de quelques dizaines à plusieurs centaines de micromètres de dimension. Depuis une décennie, la microfluidique est devenue un outil puissant utilisé en recherche fondamentale et appliquée.
Voir aussi
Laboratoire d'Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences (LICSEN) :
Chemical Functionnalization of Surfaces
► Mechanisms of surface and nanomaterial modifications
► Application-oriented surface modifications : Graftfast®, Polymer metallization, the SEEP process, Substitution of Cr(VI), Antibacterial surfaces, Surfaces for water depollution
► Local chemical functionnalization using printing techniques
Chemistry of Nanomaterials
► Bottom-up synthesis of graphene quantum dots : single photon emitters
► Fonctionnalization of nanocarbons : carbon nanotubes, fullerenes, graphene
► Graphene oxide chemistry : synthesis and manipulation of graphene oxide, graphene oxide local reduction and electrochemical functionnalization
PV, Catalysis & Photo-catalysis for Energy
► Proton exchange membrane fuel cell and Electrolyzer : bio-inspired catalysts for hydrogen evolution and uptake, oxygen reduction reaction : bio-inspired catalysts, N-enriched carbon nanotubes, non-noble metal catalysts
► Photovoltaic : Perovskite-based solar cells (halide ionic migration (2017), degradation mechanisms (2018).
Laboratory 'Structure and Dynamics by Magnetic Resonance' : Version française
The Laboratory 'Structure and Dynamics by Magnetic Resonance' (LSDRM) belongs to NIMBE, UMR CEA/CNRS 3685.
The research axes are centered on the conception and the use of new NMR tools. Cutting edge methods and original approaches are proposed, from instrumental developments to molecular simulations.
Faits marquants scientifiques
11 avril 2024
Le monoxyde de carbone (CO) est un composant essentiel de l’industrie pétrochimique, permettant de former des monomères, briques de base pour la production de polymères et plastiques.
19 février 2024
Face à la nécessaire transition énergétique pour éviter l'émission massive de CO2 liée à l'usage des produits pétroliers, la filière hydrogène-énergie verte est souvent mise en avant. Par ailleurs, les besoins de la chimie nécessitent aussi une source d'hydrogène non issue de produits carbonés fossiles.
16 février 2024
L'IRM (basée sur la Résonance Magnétique Nucléaire - RMN)* est une méthode d'analyse et d'imagerie bien connue pour son utilisation en médecine pour le diagnostic clinique. La technique est également très utilisée en chimie, biologie ou encore pour l'étude des matériaux.
02 janvier 2024
Le patrimoine artistique et archéologique métallique cuivreux nécessite une protection spécifique contre la corrosion. Pour ces œuvres, la présence d’une couche épaisse de produits de corrosion doit être préservée, ce qui impose des contraintes supplémentaires, et rend les produits industriels existants peu adaptés.
13 septembre 2023
Le graphène, matériau bidimensionnel, possède des propriétés mécaniques et électroniques remarquables pouvant permettre de multiples applications : renforcement de matériau composites, dispositifs de stockage d'énergie électrique… La réduction de taille de ce matériau 2D, en éléments de taille nanométriques bien calibrées lui apporte de nouvelles propriétés originales qui méritent d'être plus largement étudiées.
29 juin 2023
Du fait de leurs propriétés, les nanoparticules de dioxyde de titane sont largement utilisées dans les produits de consommation, notamment comme additif alimentaire, dans les cosmétiques ou comme pigment. Jusqu’à présent, elles étaient considérées comme chimiquement stable et insoluble.
09 juin 2023
Les déchets plastiques rejetés dans la nature se fragmentent jusqu'à former des micro- et nano-particules. De plus en plus de missions exploratoires et d’études montrent que ces particules sont aujourd'hui présentes dans de nombreux compartiments environnementaux.
24 mai 2023
Les batteries à flux redox (RFB) présentent le grand avantage de dissocier la quantité d'énergie stockée et la puissance délivrée. Elles sont donc spécifiquement adaptées au stockage des énergies intermittentes (solaire, éolienne).
15 mars 2023
Découverte : Notre-Dame de Paris est désormais identifiée comme la première cathédrale gothique de l’histoire, où le fer a été pensé comme un véritable matériau de structure, en une synthèse des innovations de l'époque.
14 mars 2023
Les plastiques, légers et peu onéreux, sont souvent préférés comme matériaux de contenant pour les produits alimentaires, ménagers ou de pharmacie. Une recherche active reste de mise pour garantir que le plastique choisi est bien inerte vis-à-vis du contenu et ne détériorera pas ses qualités.
29 septembre 2022
Face au défi mondial de la transition énergétique et de l’indépendance énergétique, d'intenses recherches académiques et industrielles sont poursuivies sur différents dispositifs de stockage d'énergie, dont les batteries et les super-condensateurs, pour atteindre une production d'électricité décarbonée.
08 juin 2022
Du fait de leurs propriétés optiques dans le domaine visible, les nanoparticules d’or (Au-NPs) ont de nombreuses applications dans multiples domaines et plusieurs entreprises produisent et commercialisent aujourd'hui des Au-NPs, en particulier aux USA et en Asie.
13 avril 2022
Les molécules possédant une liaison Si-H, ou hydrosilanes*, sont des composés essentiels dans l’industrie du silicium, mais leur production est difficile et énergivore.
13 janvier 2022
Depuis fin 2018, l'Alliance NTU Singapour - CEA pour la recherche en économie circulaire (SCARCE), premier laboratoire commun du CEA localisé à l’étranger, focalise ses efforts sur le recyclage des déchets électroniques.
13 septembre 2021
Pour le stockage de l’énergie, les batteries lithium-oxygène (Li-O2) sont envisagées comme une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion actuelles. Elles offrent en effet des énergies spécifiques théoriques bien plus élevées que les batteries actuelles (~ 3500 Wh/kg vs. 160 Wh/kg pour le Li-ion).
10 juin 2021
Les équipes NIMBE/LIONS du CEA-Iramis et "Régulation transcriptionnelle des génomes" de CEA-Joliot/I2BC se sont associées pour développer et valider un système innovant d’automatisation de cultures de cellules.
18 mai 2021
Les batteries d'accumulateurs rechargeables lithium-oxygène (Li-O2), ou lithium-air, sont des alternatives possibles aux batteries lithium-ion pour le stockage de l'énergie. Elles offrent en effet une énergie spécifique théoriquement élevée de l'ordre de ~ 3500 Wh kg-1, plus de dix fois supérieure à celle des accumulateurs Li-ion actuels.
12 mars 2021
Les imogolites sont des nanotubes d’aluminosilicate à forte courbure interne, dont l'architecture en fil nanométrique se prête à de multiples possibilités de fonctionnalisations chimiques.
26 janvier 2021
La "corona" désigne l'enveloppe de protéines qui entoure spontanément toute nanoparticule plongée dans un milieu biologique. Elle joue un rôle important dans les mécanismes couramment en jeu en nanomédecine et nanotoxicologie.
21 janvier 2021
Après le retraitement des combustibles nucléaires, le stockage des déchets radioactifs ultimes est une nécessité.
08 novembre 2020
L'électrification automobile et le stockage des énergies renouvelables sont aujourd'hui dominés par la technologie des batteries Li-ion, qui dépend de ressources comme le lithium, le graphite, le cuivre et certains métaux de transition disponibles en quantités limitées et/ou géographiquement inégalement répartis.
20 octobre 2020
Le CEA, associé à l’ENS Paris-Saclay, et les Universités de Rennes et de San José (USA), a développé de nouvelles molécules émettrices de lumière pour la réalisation de diodes électroluminescentes organiques (OLEDs).
28 septembre 2020
Inauguré en mars 2019, le laboratoire commun entre l'Université technologique Nanyang (NTU) de Singapour et le CEA affiche ses premières publications co-signées par des chercheurs de NTU, du CEA-Iramis (NIMBE/LICSEN), de l’ICSM et de la DES à Marcoule.
22 septembre 2020
La contamination bactérienne des surfaces est une problématique majeure dans de nombreux domaines, comme le médical ou l’agroalimentaire. La physiologie particulière des bactéries en surface et le développement de souches multi-résistantes sont deux facteurs qui réduisent l'efficacité des agents antimicrobiens.
12 juillet 2020
Les nanomédicaments sont considérés comme des thérapies prometteuses pour le traitement du cancer. Cependant, leur utilisation clinique reste encore limitée, dû en partie au fait que leur comportement biologique n'est pas encore vraiment élucidé.
12 juin 2020
Dans la production industrielle de méthanol (CH3OH), l'atome de carbone est usuellement issu du méthane (CH4), provenant pour l'essentiel de gisements de pétrole, gaz naturel et de schistes. Une nouvelle stratégie pour préparer le méthanol à partir de l'acide formique (HCOOH), lui-même issu du CO2, est présentée par une équipe du NIMBE/LCMCE.
14 avril 2020
Les études sur l'influence de rayonnements de toutes natures sur la matière biologique ont des enjeux à la fois pour la protection de la santé et pour les moyens thérapeutiques qu'elles peuvent offrir. Radiobiologie (effets de particules ionisantes) et photobiologie (effets de la lumière) contribuent chacun dans leur domaine.
07 janvier 2020
Formuler un substitut sanguin capable de transporter efficacement l’oxygène, sans toxicité biologique ou chimique, et dont la préparation serait peu coûteuse pour de très grandes quantités, est un graal qui remonte au XVIIème siècle [1].
18 septembre 2019
Des chercheurs de l’I2BC@Saclay et de l’UMR NIMBE, en collaboration avec le Laboratoire Léon Brillouin (LLB), ont analysé la structure de la couronne composée de deux protéines modèles adsorbées sur des nanoparticules de silice, en utilisant la technique de diffusion des neutrons aux petits angles.
Publications HAL
Thèses
| 21 sujets IRAMIS/NIMBE |
Dernière mise à jour :
Désoxygénation photocatalytique d’esters gras : vers la production d’alcanes biosourcés
SL-DRF-24-0431
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=lanthore
Labo : https://iramis.cea.fr/Pisp/thibault.cantat/
Les alcanes sont des molécules essentielles au secteur énergétique (carburants) comme en chimie de spécialité (cosmétiques, adhésifs…) ou en chimie fine. Aujourd’hui, ils sont essentiellement issus de ressources fossiles non renouvelables et leur utilisation participe au dérèglement climatique par la production de dioxyde de carbone. Pour atteindre un objectif de neutralité carbone, produire des alcanes à partir de sources de carbone renouvelables comme la biomasse apparaît donc comme une alternative intéressante. Dans la biomasse, les esters gras de type RCO2R’ présentent de longues chaînes alkyles mais la présence d’atomes d’oxygène ne leur permet pas de se substituer directement aux alcanes pétrosourcés.
L’objectif de cette thèse est de développer des systèmes catalytiques homogènes permettant la désoxygénation photocatalytique d’esters en alcanes correspondant, pas simple extrusion d’une molécule de CO2. L’énergie nécessaire à la réaction de réduction sera ainsi apportée par la lumière. Au cours de l’ensemble de ce projet de thèse, l’accent sera mis sur le développement des systèmes catalytiques et la compréhension des mécanismes réactionnels grâce à des études expérimentales (cinétiques, études RMN, observation des intermédiaires réactionnels…) associées à la chimie théorique (calculs DFT).
L’objectif de cette thèse est de développer des systèmes catalytiques homogènes permettant la désoxygénation photocatalytique d’esters en alcanes correspondant, pas simple extrusion d’une molécule de CO2. L’énergie nécessaire à la réaction de réduction sera ainsi apportée par la lumière. Au cours de l’ensemble de ce projet de thèse, l’accent sera mis sur le développement des systèmes catalytiques et la compréhension des mécanismes réactionnels grâce à des études expérimentales (cinétiques, études RMN, observation des intermédiaires réactionnels…) associées à la chimie théorique (calculs DFT).
Simulation des nano-objets en milieu biologique
SL-DRF-24-0362
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=jrenault
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/lions/
La compréhension des interactions non spécifiques ou spécifiques entre les biomolécules et les nanomatériaux est la clé du développement de nanomédicaments et de nanoparticules sûres. En effet, l'adsorption des biomolécules est le premier processus qui se produit après l'introduction de biomatériaux dans le corps humain ce qui contrôle leur réponse biologique. Dans le cadre de cette thèse, nous entreprendrons la simulation de l'interface nanosystème-biomolécules à l’échelle de la centaine de nanomètres en utilisant les nouveaux moyens de calcul exascale disponibles au CEA à partir de 2025 (machine Jules Verne installée au CCRT).
Coupures catalytiques de liaisons C–O et C-N appliquées à la transformation et la dépolymérisation réductrice de déchets plastiques
SL-DRF-24-0379
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Pisp/thibault.cantat/JeanClaude_Berthet.php
Labo : https://iramis.cea.fr/Pisp/thibault.cantat/research.php
Voir aussi : https://iramis.cea.fr/nimbe/LCMCE/
Le recyclage et la valorisation chimique des plastiques sont des étapes nécessaires et cruciales pour accélérer la transition vers une économie circulaire et diminuer la pollution liée à ces matières.
Le but de ce projet est de développer des systèmes catalytiques permettant de dépolymériser des matières plastiques oxygénées et azotées en leurs monomères ou en produits dérivés (alcools, amines, halogénures, voire hydrocarbures). Ces méthodes, permettant de récupérer en conditions douces la matière carbonée des polymères sous forme de produits chimiques utiles pour l’industrie chimique sont encore peu développées et seront, à l’avenir, des voies de traitements vertueuses de recyclage de certaines matières plastiques.
Le présent projet doctoral vise au développement et à l’utilisation de nouveaux complexes moléculaires métalliques (Aluminium, zirconium, terres rares, etc…) et des catalyseurs organiques (à base de bore),
• qui soient simples, peu chers, recyclables et plus sélectifs que ceux actuels (composés d'iridium, de ruthénium et bore), pour dépolymériser différentes variétés de plastiques (polyesters, polycarbonates, polyuréthanes et polyamides),
• qui permettent, dans le cas de catalyse réductrice, l’emploi d’hydrosilanes et hydroboranes mais aussi l’utilisation de nouveaux agents réducteurs agissant par hydrogénation par transfert.
Enfin, nous considèreront également l’emploi d’anhydrides organiques pour transformer les plastiques en composés organiques réactifs utiles en chimie organique.
Le but de ce projet est de développer des systèmes catalytiques permettant de dépolymériser des matières plastiques oxygénées et azotées en leurs monomères ou en produits dérivés (alcools, amines, halogénures, voire hydrocarbures). Ces méthodes, permettant de récupérer en conditions douces la matière carbonée des polymères sous forme de produits chimiques utiles pour l’industrie chimique sont encore peu développées et seront, à l’avenir, des voies de traitements vertueuses de recyclage de certaines matières plastiques.
Le présent projet doctoral vise au développement et à l’utilisation de nouveaux complexes moléculaires métalliques (Aluminium, zirconium, terres rares, etc…) et des catalyseurs organiques (à base de bore),
• qui soient simples, peu chers, recyclables et plus sélectifs que ceux actuels (composés d'iridium, de ruthénium et bore), pour dépolymériser différentes variétés de plastiques (polyesters, polycarbonates, polyuréthanes et polyamides),
• qui permettent, dans le cas de catalyse réductrice, l’emploi d’hydrosilanes et hydroboranes mais aussi l’utilisation de nouveaux agents réducteurs agissant par hydrogénation par transfert.
Enfin, nous considèreront également l’emploi d’anhydrides organiques pour transformer les plastiques en composés organiques réactifs utiles en chimie organique.
Matériaux poreux intégrés dans des dispositifs pour l’analyse glycomique en milieu hospitalier.
SL-DRF-24-0442
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=mmaleval
Labo : https://iramis.cea.fr/NIMBE/LEDNA/
La glycomique consiste à identifier les oligosaccharides (OS) présents dans un fluide biologique en tant que source de biomarqueurs en vue de diagnostiquer diverses pathologies (cancers, maladie d’Alzheimer, etc.). Pour étudier ces OS, la préparation d’échantillon comporte 2 phases clés, le clivage enzymatique (coupure de la liaison entre les OS et les protéines) suivi d’une purification et extraction (séparation des OS et des protéines). Cependant, les matériaux actuellement utilisés dans les protocoles imposent de nombreuses étapes manuelles et chronophages, incompatibles avec une analyse à haut débit.
Dans ce contexte, le LEDNA, laboratoire spécialisée dans le domaine des matériaux a récemment développé un procédé sol-gel de fabrication de Monolithes à Porosité Hiérarchisée (HPMs) dans des dispositifs miniaturisés. Ces matériaux ont permis d’obtenir une preuve de concept démontrant leur intérêt pour la seconde étape de l’analyse glycomique, i.e. la purification et l’extraction des oligosaccharides. Le LEDNA souhaite désormais améliorer la première étape correspondant à la coupure enzymatique devenue limitante dans le processus d’analyse glycomique. La fonctionnalisation de matériaux poreux, notamment d’HPMs avec de l’enzyme rendrait ainsi possible une préparation d’échantillon simple en à peine quelques heures avec une unique étape.
L’objectif de cette thèse est donc de montrer que l’utilisation de matériaux poreux présentant une fonction double, catalytique et de filtration, appliqués à la préparation d’échantillons pour l’analyse glycomique constitue un moyen pertinent pour simplifier et accélérer l’analyse glycomique, ainsi que de les employer dans des études en lien avec le milieu hospitalier afin d’identifier de nouveaux biomarqueurs de pathologies.
Le projet de recherche consistera à élaborer un dispositif intégrant des matériaux poreux présentant une fonction catalytique et de filtration. Pour ce faire, plusieurs aspects seront traités, allant de la synthèse et de la mise en forme de ces matériaux jusqu’à leur caractérisation de leurs propriétés texturales et physico-chimique. Un travail important sera porté sur l’immobilisation de l’enzyme. Le(s) prototype(s) les plus prometteurs seront évaluées dans un protocole d’analyse glycomique en vérifiant l’obtention de profils oligosaccharidiques de biofluides humain (plasma, lait). Les caractérisations physico-chimiques seront l’occasion de pratiquer des techniques variées (MEB, MET, etc.) ou encore la caractérisation des paramètres de porosité (adsorption d’azote, porosimètre Hg). L’analyse des oligosaccharides sera réalisée par spectrométrie de masse à haute résolution (essentiellement MALDI-TOF).
Pour ce projet de thèse pluridisciplinaire, nous recherchons un(e) étudiant(e) chimiste ou physico-chimiste, intéressé(e) par la chimie des matériaux et motivé(e) par les applications de la recherche fondamentale dans le domaine des nouvelles technologies pour la santé. La thèse sera effectuée dans deux laboratoires, le LEDNA pour la partie matériaux et le LI-MS pour l’utilisation des matériaux en analyse glycomique. L’activité de recherche sera menée dans le centre de recherche de Saclay (91).
Dans ce contexte, le LEDNA, laboratoire spécialisée dans le domaine des matériaux a récemment développé un procédé sol-gel de fabrication de Monolithes à Porosité Hiérarchisée (HPMs) dans des dispositifs miniaturisés. Ces matériaux ont permis d’obtenir une preuve de concept démontrant leur intérêt pour la seconde étape de l’analyse glycomique, i.e. la purification et l’extraction des oligosaccharides. Le LEDNA souhaite désormais améliorer la première étape correspondant à la coupure enzymatique devenue limitante dans le processus d’analyse glycomique. La fonctionnalisation de matériaux poreux, notamment d’HPMs avec de l’enzyme rendrait ainsi possible une préparation d’échantillon simple en à peine quelques heures avec une unique étape.
L’objectif de cette thèse est donc de montrer que l’utilisation de matériaux poreux présentant une fonction double, catalytique et de filtration, appliqués à la préparation d’échantillons pour l’analyse glycomique constitue un moyen pertinent pour simplifier et accélérer l’analyse glycomique, ainsi que de les employer dans des études en lien avec le milieu hospitalier afin d’identifier de nouveaux biomarqueurs de pathologies.
Le projet de recherche consistera à élaborer un dispositif intégrant des matériaux poreux présentant une fonction catalytique et de filtration. Pour ce faire, plusieurs aspects seront traités, allant de la synthèse et de la mise en forme de ces matériaux jusqu’à leur caractérisation de leurs propriétés texturales et physico-chimique. Un travail important sera porté sur l’immobilisation de l’enzyme. Le(s) prototype(s) les plus prometteurs seront évaluées dans un protocole d’analyse glycomique en vérifiant l’obtention de profils oligosaccharidiques de biofluides humain (plasma, lait). Les caractérisations physico-chimiques seront l’occasion de pratiquer des techniques variées (MEB, MET, etc.) ou encore la caractérisation des paramètres de porosité (adsorption d’azote, porosimètre Hg). L’analyse des oligosaccharides sera réalisée par spectrométrie de masse à haute résolution (essentiellement MALDI-TOF).
Pour ce projet de thèse pluridisciplinaire, nous recherchons un(e) étudiant(e) chimiste ou physico-chimiste, intéressé(e) par la chimie des matériaux et motivé(e) par les applications de la recherche fondamentale dans le domaine des nouvelles technologies pour la santé. La thèse sera effectuée dans deux laboratoires, le LEDNA pour la partie matériaux et le LI-MS pour l’utilisation des matériaux en analyse glycomique. L’activité de recherche sera menée dans le centre de recherche de Saclay (91).
Nouvelles membranes à base de nanofeuillets bidimensionnels
SL-DRF-24-0510
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-03-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Pisp/jean.gabriel/
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/licsen/
Voir aussi : https://iramis.cea.fr/nimbe/
Ce projet de thèse vise à exfolier de nouvelles architectures nanostructurées à bases de phases inorganiques bidimensionnelles. Ces nanostructures seront conçues pour des dispositifs de filtration et testées sur notre plateforme microfluidique. L'application visée est la purification de l'eau et la séparation sélectives des ions métalliques. Le doctorant interagira avec des chimistes, des physiciens et des électrochimistes dans un véritable environnement pluridisciplinaire, sur un sujet de recherche fondamentale directement connecté à des besoins applicatifs. Ainsi, lors de sa thèse l’étudiant sera exposé à un environnement pluridisciplinaire et amené à réaliser des expériences dans des domaines variés tels que la chimie inorganique, la physico-chimie, la micro/nano-fabrication et les méthodes de nano-caractérisation. Dans ce contexte, ce projet devrait potentiellement aboutir à des retombées sociétales significatives.
Pour la réalisation de ces dernières, il aura accès à une gamme très large et variée d’équipements allant du microscope optique au synchrotron de dernière génération (ESRF), en passant par les microscopes à effet de champs ou électroniques et les galvanostats.
Cette thèse est donc une excellente opportunité de croissance professionnelle tant d’un point de vue de vos connaissances, que de vos savoir-faire.
Pour la réalisation de ces dernières, il aura accès à une gamme très large et variée d’équipements allant du microscope optique au synchrotron de dernière génération (ESRF), en passant par les microscopes à effet de champs ou électroniques et les galvanostats.
Cette thèse est donc une excellente opportunité de croissance professionnelle tant d’un point de vue de vos connaissances, que de vos savoir-faire.
RMN hyperpolarisée en continu à base de parahydrogène et de catalyseurs greffés
SL-DRF-24-0590
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Pisp/gaspard.huber/
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/
Voir aussi : https://iramis.cea.fr/Pisp/104/stephane.campidelli.html
La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une robuste technique d'analyse, non invasive. Elle apporte de précieuses informations sur les réactions chimiques, qui sont ainsi mieux caractérisées et donc optimisées. Cependant la RMN est peu sensible, et les solutés peu concentrés, comme des intermédiaires de réaction, peuvent être inobservables par RMN classique. Une des méthodes connues pour augmenter drastiquement mais temporairement la sensibilité de la RMN consiste à créer un état d'hyperpolarisation dans le système de spins nucléaires, c'est-à-dire une polarisation bien supérieure à celle accessible avec les champs magnétiques dont on dispose. Une méthode d'hyperpolarisation emploie les propriétés particulières du parahydrogène. Elle nécessite l'emploi d'un catalyseur visant à ajouter le parahydrogène sur une liaison multiple ou un métal.
Le sujet de thèse consiste à investiguer l'apport conjoint de (i) l'hyperpolarisation à base de parahydrogène [1], (ii) un greffage du catalyseur adéquat sur des nanoparticules [2], et (iii) un mode d’analyse en continu [3] pour détecter et identifier des intermédiaires de réaction, des thématiques pour lesquels le laboratoire a acquis de l'expérience. Ce sujet implique un fort investissement en instrumentation, mais aussi des compétences en chimie de synthèse et en RMN.
La thèse se déroulera au sein du NIMBE, une unité mixte CEA/CNRS du CEA Saclay. La RMN hyperpolarisée et la synthèse auront lieu sous la responsabilité respective de de Gaspard HUBER, du LSDRM, et de Stéphane CAMPIDELLI, du LICSEN. Ces deux laboratoires du NIMBE sont situés dans des bâtiment très proches.
Reférences :
[1] Barskiy et al, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2019, 33, 114-115,.
[2] Hijazi et al., Org. Biomol. Chem., 2018, 16, 6767-6772.
[3] Carret et al., Anal. Chem. 2018, 90, 11169-11173.
Le sujet de thèse consiste à investiguer l'apport conjoint de (i) l'hyperpolarisation à base de parahydrogène [1], (ii) un greffage du catalyseur adéquat sur des nanoparticules [2], et (iii) un mode d’analyse en continu [3] pour détecter et identifier des intermédiaires de réaction, des thématiques pour lesquels le laboratoire a acquis de l'expérience. Ce sujet implique un fort investissement en instrumentation, mais aussi des compétences en chimie de synthèse et en RMN.
La thèse se déroulera au sein du NIMBE, une unité mixte CEA/CNRS du CEA Saclay. La RMN hyperpolarisée et la synthèse auront lieu sous la responsabilité respective de de Gaspard HUBER, du LSDRM, et de Stéphane CAMPIDELLI, du LICSEN. Ces deux laboratoires du NIMBE sont situés dans des bâtiment très proches.
Reférences :
[1] Barskiy et al, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 2019, 33, 114-115,.
[2] Hijazi et al., Org. Biomol. Chem., 2018, 16, 6767-6772.
[3] Carret et al., Anal. Chem. 2018, 90, 11169-11173.
Synthèse et propriétés de nanoparticules de graphène hydrosolubles
SL-DRF-24-0013
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/stephane.campidelli/
Labo : http://iramis.cea.fr/nimbe/licsen/
Depuis sa découverte qui a valu le Prix Nobel de Physique à A. Geim et K. Novoselov en 2010, le graphène a provoqué l’engouement de la communauté scientifique. À cause de ces propriétés électroniques, le graphène est vu comme un matériau de choix pour de très nombreuses applications : électronique/optoélectronique rapide et flexible, électrode ou matériau actif dans le domaine des énergies renouvelables (photovoltaïque, piles à combustible, supercondensateurs).
Pour de nombreuses applications, il convient d’être capable de modifier et de contrôler les propriétés électroniques du graphène. Ceci peut être réalisé grâce à l’apport de la chimie organique. Dans ce sujet, nous proposons de synthétiser des motifs graphéniques en particulier des nanoparticules de graphène et d’étudier leurs propriétés d’absorption et d’émission dans l’IR. Nous nous attacherons particulièrement à rendre ces matériaux solubles dans l'eau afin de tester leurs propriétés en milieu biologique. Ce projet sera développé en collaboration avec des physiciens, le/la candidat(e) devra donc avoir un gout prononcé pour le travail pluridisciplinaire.
Pour de nombreuses applications, il convient d’être capable de modifier et de contrôler les propriétés électroniques du graphène. Ceci peut être réalisé grâce à l’apport de la chimie organique. Dans ce sujet, nous proposons de synthétiser des motifs graphéniques en particulier des nanoparticules de graphène et d’étudier leurs propriétés d’absorption et d’émission dans l’IR. Nous nous attacherons particulièrement à rendre ces matériaux solubles dans l'eau afin de tester leurs propriétés en milieu biologique. Ce projet sera développé en collaboration avec des physiciens, le/la candidat(e) devra donc avoir un gout prononcé pour le travail pluridisciplinaire.
Electrodes poreuses à base de nanodiamants pour la production photoélectrocatalytique de carburants solaires
SL-DRF-24-0426
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=jarnault
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/
Parmi les semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, les nanodiamants (ND) n'ont pas encore été réellement pris en compte pour les réactions photoélectrocatalytiques dans le domaine de l'énergie. Cela s'explique par la confusion avec le diamant monocristallin qui présente une large bande interdite (5,5 eV) ce qui nécessite une illumination UV profonde pour initier une photoréactivité. À l'échelle nanométrique, les ND contiennent des défauts natifs (carbone sp2, impuretés chimiques telles que l'azote) qui peuvent créer des états énergétiques dans la bande interdite du diamant, ce qui réduit l'énergie lumineuse nécessaire pour amorcer la séparation des charges. En outre, la structure électronique du diamant peut être fortement modifiée (sur plusieurs eV) en jouant sur ses terminaisons de surface (oxydées, hydrogénées, aminées), ce qui peut ouvrir la voie à des alignements de bandes optimisés avec les espèces à réduire ou à oxyder. En combinant ces atouts, le ND devient alors compétitif avec d'autres semi-conducteurs pour des photoréactions. L'objectif de ce doctorat est d'étudier la capacité des nanodiamants à réduire le CO2 par photoélectrocatalyse. Pour atteindre cet objectif, des électrodes seront fabriquées à partir de nanodiamants avec différents chimies de surface (oxydés, hydrogénés et aminés), soit en utilisant une approche conventionnelle de type encre, soit une approche plus innovante qui résulte en un matériau poreux comprenant des nanodiamants et une matrice déposée par PVD. Les performances (photo)électrocatalytiques sous illumination visible de ces électrodes à base de nanodiamants pour la réduction du CO2 seront alors étudiées en termes de taux de production et de sélectivité, en présence ou non d'un co-catalyseur moléculaire macrocyclique à base de métaux de transition.
Plaques bipolaires innovantes par impression 3D pour l’application PEMFC
SL-DRF-24-0244
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=MF276647
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/LICSEN/
Pour répondre à la demande énergétique croissante et diversifier le panel de ressources, l’hydrogène apparait comme un vecteur prometteur d’énergie propre et durable. Ce travail de thèse a pour objectif de contribuer au développement des piles à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFCs) et plus particulièrement des plaques bipolaires (PBs) qui assurent la distribution des gaz et la collection du courant. Dans un premier temps, des PBs en acier inoxydable seront conçues et fabriquées par impression 3D (procédé SLM – Selective Laser Melting). Plusieurs architectures de canaux seront élaborées et caractérisées, notamment in-situ en combinaison avec des assemblages membrane-électrode (AME). En parallèle, différents revêtements anticorrosion, tant organiques qu’inorganiques, seront développés. Ces revêtements seront caractérisés, notamment du point de vue de leur résistance à la corrosion, par des méthodes électrochimiques (courbes de polarisation et spectroscopie d’impédance). Ces travaux permettront de comprendre d’un point de vue fondamental les mécanismes et les paramètres limitant les performances des PEMFCs.
Simulations ab initio de catalyseurs pour la chimie verte
SL-DRF-24-0302
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Pisp/rodolphe.pollet/
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/lsdrm/
La catalyse est aujourd’hui au cœur des procédés industriels de la chimie. Par exemple, la conversion d’un nitrile vers un amide, qui donne lieu à des applications industrielles en pharmacologie, en agrochimie, en chimie de synthèse, ou en chimie des polymères, par hydratation nécessite un catalyseur efficace en raison de sa lente cinétique. Pour des raisons autant environnementales que sociétales, l’un des enjeux majeurs aujourd’hui est de découvrir des catalyseurs sans métaux de transition, non toxiques, non corrosifs, et disponibles à un coût modéré. Un exemple de catalyseur remplissant ces critères est l'hydroxyde de choline.
Pour cette thèse, l’étudiant sera formé à la technique de simulation par dynamique moléculaire ab initio couplée à une méthode qui permet de reconstruire le paysage d’énergie libre de la réaction d'hydratation de différents nitriles aromatiques en faisant varier les conditions de l’expérience in silico. Il devra aussi effectuer en amont des calculs de chimie quantique permettant de décrire l’ensemble des interactions inter et intramoléculaires existantes. Cette approche a déjà été utilisée avec succès au sein de notre laboratoire pour décrire d’autres réactions chimiques en solution aqueuse et devra être appliquée au domaine innovant de la chimie verte.
Pour cette thèse, l’étudiant sera formé à la technique de simulation par dynamique moléculaire ab initio couplée à une méthode qui permet de reconstruire le paysage d’énergie libre de la réaction d'hydratation de différents nitriles aromatiques en faisant varier les conditions de l’expérience in silico. Il devra aussi effectuer en amont des calculs de chimie quantique permettant de décrire l’ensemble des interactions inter et intramoléculaires existantes. Cette approche a déjà été utilisée avec succès au sein de notre laboratoire pour décrire d’autres réactions chimiques en solution aqueuse et devra être appliquée au domaine innovant de la chimie verte.
Électrolytes solides hybrides pour batteries "tout solide" : Formulation et caractérisation multi-échelle du transport ionique
SL-DRF-24-0634
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/said.yagoubi/
Labo : http://iramis.cea.fr/nimbe/leel/
Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lsdrm/
Les batteries lithium-ion, largement présentes dans notre vie quotidienne, ont révolutionné les applications portables et sont maintenant utilisées dans les véhicules électriques. Le développement de nouvelles générations de batteries pour les futures applications dans le transport et le stockage d'électricité à partir de sources renouvelables est donc vital pour atténuer le réchauffement climatique.
La technologie lithium-ion est généralement considérée comme la solution privilégiée pour les applications nécessitant une haute densité d’énergie, alors que la technologie sodium-ion est particulièrement intéressante pour des applications qui requièrent de la puissance. Néanmoins, l’instabilité intrinsèque des électrolytes liquides entraîne des problèmes de sécurité.
Face aux exigences de respect de l’environnement et de sécurité, les batteries tout solide à base d’électrolytes solides peuvent apporter une solution efficace tout en répondant aux besoins accus de stockage d’énergie. Les verrous à lever pour permettre le développement de la technologie batterie "tout solide" résident essentiellement dans la recherche de nouveaux électrolytes solides chimiquement stables et ayant de bonnes performances électriques, électrochimiques et mécaniques. Dans cet objectif, ce projet de thèse vise à développer des électrolytes solides composites « polymère/polymère » et « polymère/céramique » ayant une performance élevée et une sécurité renforcée. Des caractérisations par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) seront réalisées afin de comprendre la dynamique cationique (par Li+ ou Na+) à l’échelle macroscopique dans les électrolytes composites, tandis que la dynamique locale sera sondée à l'aide de techniques avancées de RMN à l'état solide (relaxation du 23Na/7Li, RMN 2D, RMN in-situ & operando). D’autres techniques de caractérisation comme la Diffraction des rayons X et des neutrons, l’XPS, la chronoampérométrie, le GITT…seront mises en œuvre pour une parfaite compréhension de la structure des électrolytes ainsi que des mécanismes de vieillissement aux interfaces électrolyte/électrolyte et électrolyte/électrode de la batterie tout solide.
Mots clés : électrolyte solide composite, batterie tout solide, interfaces, caractérisation multi-échelle, dynamique des ions Li+ et Na+, performance électrochimique, RMN du solide, diffraction RX/neutrons.
La technologie lithium-ion est généralement considérée comme la solution privilégiée pour les applications nécessitant une haute densité d’énergie, alors que la technologie sodium-ion est particulièrement intéressante pour des applications qui requièrent de la puissance. Néanmoins, l’instabilité intrinsèque des électrolytes liquides entraîne des problèmes de sécurité.
Face aux exigences de respect de l’environnement et de sécurité, les batteries tout solide à base d’électrolytes solides peuvent apporter une solution efficace tout en répondant aux besoins accus de stockage d’énergie. Les verrous à lever pour permettre le développement de la technologie batterie "tout solide" résident essentiellement dans la recherche de nouveaux électrolytes solides chimiquement stables et ayant de bonnes performances électriques, électrochimiques et mécaniques. Dans cet objectif, ce projet de thèse vise à développer des électrolytes solides composites « polymère/polymère » et « polymère/céramique » ayant une performance élevée et une sécurité renforcée. Des caractérisations par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) seront réalisées afin de comprendre la dynamique cationique (par Li+ ou Na+) à l’échelle macroscopique dans les électrolytes composites, tandis que la dynamique locale sera sondée à l'aide de techniques avancées de RMN à l'état solide (relaxation du 23Na/7Li, RMN 2D, RMN in-situ & operando). D’autres techniques de caractérisation comme la Diffraction des rayons X et des neutrons, l’XPS, la chronoampérométrie, le GITT…seront mises en œuvre pour une parfaite compréhension de la structure des électrolytes ainsi que des mécanismes de vieillissement aux interfaces électrolyte/électrolyte et électrolyte/électrode de la batterie tout solide.
Mots clés : électrolyte solide composite, batterie tout solide, interfaces, caractérisation multi-échelle, dynamique des ions Li+ et Na+, performance électrochimique, RMN du solide, diffraction RX/neutrons.
nanoréacteurs tubulaires durables à polarisation radiale pour la catalyse
SL-DRF-24-0284
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=ppicot
Labo : https://iramis.cea.fr/NIMBE/LIONS/
Les exigences combinées liées à l'augmentation de la production d'énergie et à la nécessité de réduire les combustibles fossiles pour limiter le réchauffement de la planète ont ouvert la voie à un besoin urgent pour des technologies de collecte d'énergie propre. Une solution intéressante consiste à utiliser l'énergie solaire pour produire des carburants. Ainsi, les matériaux bon marché tels que les semi-conducteurs ont fait l'objet de nombreuses études pour les réactions photocatalytiques. Parmi eux, les nanostructures 1D sont prometteuses en raison de leurs propriétés intéressantes (surfaces spécifique et accessibles élevées, environnements confinés, meilleure séparation des charges). L'imogolite, une argile naturelle sous la forme d'un nanotubes creux, appartient à cette catégorie. Bien qu'elle ne soit pas directement photoactive dans le domaine de la lumière visible (bande interdite élevée), elle présente une polarisation permanente de sa paroi en raison de sa courbure intrinsèque. Cette propriété fait d'elle un co-photocatalyseur potentiellement utile pour la séparation des charges. De plus, ce nanotube appartient à une famille partageant la même structure locale avec différentes morphologies courbées (nanosphère et nanotuile). En outre, plusieurs modifications de ces matériaux sont possibles (dopage de la paroi avec des métaux, couplage avec des nanoparticules métalliques, fonctionnalisation de la cavité interne), ce qui permet d'ajuster la bande interdite. Pour l'instant, la preuve de concept (c'est-à-dire le nanoréacteur pour des réactions photocatalytiques) n'a été obtenue que pour la forme nanotube.
L'objectif de cette thèse est ainsi d'étudier toute la famille (nanotube, nanosphère et nanotuile, avec diverses fonctionnalisations) en tant que nanoréacteurs pour des réactions de réduction du proton et du CO2 déclenchées sous irradiation.
L'objectif de cette thèse est ainsi d'étudier toute la famille (nanotube, nanosphère et nanotuile, avec diverses fonctionnalisations) en tant que nanoréacteurs pour des réactions de réduction du proton et du CO2 déclenchées sous irradiation.
Effet de la substitution sur les propriétés ferroélectriques et photocatalytiques de nanoparticules de titanate de barium
SL-DRF-24-0401
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=leconte
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/leel/
Dans le cadre de la transition énergétique, la production d’hydrogène à partir de l’énergie solaire apparait comme un moyen de stockage puis de production d’énergie extrêmement prometteur. La photoélectrolyse de l’eau, pour se développer à grande échelle, a besoin de matériaux à haut rendement catalytique. Parmi les candidats envisagés, les matériaux dérivés des titanates de barium apparaissent prometteurs car leurs propriétés ferro- et piezoélectriques pourraient augmenter leur effet photocatalytique. Nous proposons donc dans ce sujet, mené en collaboration entre le LEEL du CEA et le SPMS de Centrale – Supelec, de synthétiser des nanoparticules de BaTiO3 par spray pyrolyse en flamme en opérant des substitutions sur Ba et O afin d’étudier l’effet de ces modifications sur les propriétés ferroélectriques du matériau. L’ajout d’inclusions de métaux nobles en surface des particules, susceptibles d’améliorer la catalyse, sera également réalisée lors de la synthèse de ces dernières. Enfin, des tests de photocatalyse et de piezocatalyse permettront d’établir les liens entre les phénomènes ferroélectriques et catalytiques dans cette famille de matériaux.
Exploration de la réactivité de catalyseurs à base d’oxyde par radiolyse
SL-DRF-24-0239
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Pisp/sophie.le-caer/
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/LIONS
Voir aussi : https://iramis.cea.fr/nimbe/LEDNA
Dans le contexte de la recherche de procédés moins polluants et plus économes en énergie que les procédés actuels, il est intéressant de produire des molécules à fort enjeu telles que par exemple C2H4 en développant des voies de synthèses alternatives au vapocraquage, majoritairement employé, mais coûteux en énergie et à base de ressources fossiles. Les procédés tels que la photocatalyse, qui repose sur l’utilisation de l’énergie lumineuse, paraissent alors séduisants pour générer ces molécules d’intérêt. Dans ce cadre, nous avons déjà montré que l’utilisation de photocatalyseurs à base de TiO2 décoré par des particules de cuivre permettait la production d’éthylène à partir d’une solution aqueuse d’acide propionique, le tout avec une sélectivité (C2H4/autres produits carbonés) allant jusqu’à 85%.
Cependant, les cinétiques de photocatalyse peuvent être lentes et il peut être long d’identifier les meilleurs catalyseurs ou les meilleurs couples « catalyseurs/réactifs » pour une réaction donnée. Ainsi, dans le but de déterminer si la radiolyse, qui repose sur l’utilisation du rayonnement pour ioniser la matière, peut être une méthode efficace de criblage de catalyseurs, des premières expériences ont déjà été réalisées sur les couples catalyseurs (TiO2 ou CuTiO2)/réactifs (acide propionique plus ou moins concentré), préalablement étudiés en photocatalyse. Les premiers résultats obtenus par radiolyse sont encourageants. Dans ces expériences, seule la production de dihydrogène a été mesurée. Une différence significative a été observée dans cette production selon les systèmes : elle est importante lors de la radiolyse d’acide propionique avec des nanoparticules de TiO2, et sensiblement plus faible en présence des nanoparticules CuTiO2, ce qui suggère un chemin réactionnel différent dans ce dernier cas, en accord avec les observations réalisées lors des expériences de photocatalyse.
Le but de ce travail de thèse consistera à approfondir ces premiers résultats en synthétisant des nanoparticules (catalyseurs), en préparant des mélanges réactifs/catalyseurs puis en les irradiant et en mesurant les différents gaz produits par micro-chromatographie en phase gazeuse, en se concentrant d’abord sur l’éthylène. Un soin particulier sera accordé à la détermination d’espèces formées, notamment transitoires, afin de proposer in fine des mécanismes de réaction rendant compte des différences observées pour les différents couples réactifs/catalyseurs. Des comparaisons avec des résultats obtenus par photocatalyse seront également effectuées.
Cependant, les cinétiques de photocatalyse peuvent être lentes et il peut être long d’identifier les meilleurs catalyseurs ou les meilleurs couples « catalyseurs/réactifs » pour une réaction donnée. Ainsi, dans le but de déterminer si la radiolyse, qui repose sur l’utilisation du rayonnement pour ioniser la matière, peut être une méthode efficace de criblage de catalyseurs, des premières expériences ont déjà été réalisées sur les couples catalyseurs (TiO2 ou CuTiO2)/réactifs (acide propionique plus ou moins concentré), préalablement étudiés en photocatalyse. Les premiers résultats obtenus par radiolyse sont encourageants. Dans ces expériences, seule la production de dihydrogène a été mesurée. Une différence significative a été observée dans cette production selon les systèmes : elle est importante lors de la radiolyse d’acide propionique avec des nanoparticules de TiO2, et sensiblement plus faible en présence des nanoparticules CuTiO2, ce qui suggère un chemin réactionnel différent dans ce dernier cas, en accord avec les observations réalisées lors des expériences de photocatalyse.
Le but de ce travail de thèse consistera à approfondir ces premiers résultats en synthétisant des nanoparticules (catalyseurs), en préparant des mélanges réactifs/catalyseurs puis en les irradiant et en mesurant les différents gaz produits par micro-chromatographie en phase gazeuse, en se concentrant d’abord sur l’éthylène. Un soin particulier sera accordé à la détermination d’espèces formées, notamment transitoires, afin de proposer in fine des mécanismes de réaction rendant compte des différences observées pour les différents couples réactifs/catalyseurs. Des comparaisons avec des résultats obtenus par photocatalyse seront également effectuées.
La terre crue, un matériau millénaire aux nouvelles utilisations émergentes
SL-DRF-24-0360
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2024
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| Directeur de thèse : |
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Page perso : https://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=jrenault
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/lions/
Voir aussi : https://www.icsm.fr/index.php?pagendx=3898
Les matériaux en terre crue, qui ont trouvé de multiples utilisations depuis des millénaires, offrent aujourd'hui un potentiel considérable en matière d'adaptation au changement climatique, grâce à leurs capacités naturelles de régulation thermique et hydrique ainsi que leurs production et façonnement à faibles émissions de CO2. Toutefois, des avancées scientifiques restent nécessaires pour une compréhension plus fine de ces matériaux, à l'échelle nanométrique.
Cette thèse se concentre sur le lien entre les propriétés mécaniques des matériaux en terre crue et leur nanostructure en mettant l’accent sur les rôles de l'eau confinée, des ions et des substances organiques. Deux approches, basées sur l’expertise sur les milieux nanoporeux développée au CEA, à Saclay et à Marcoule, seront suivies : l'analyse de matériaux anciens par des méthodes de spectroscopie et de diffusion de rayonnement ainsi que la mise au point d'un protocole de criblage permettant d’identifier les paramètres physicochimiques importants pour la durabilité. Ces recherches, qui visent à terme à optimiser les formulations de matériaux en terre crue, seront menées en collaboration avec des architectes spécialistes du domaine.
Cette thèse se concentre sur le lien entre les propriétés mécaniques des matériaux en terre crue et leur nanostructure en mettant l’accent sur les rôles de l'eau confinée, des ions et des substances organiques. Deux approches, basées sur l’expertise sur les milieux nanoporeux développée au CEA, à Saclay et à Marcoule, seront suivies : l'analyse de matériaux anciens par des méthodes de spectroscopie et de diffusion de rayonnement ainsi que la mise au point d'un protocole de criblage permettant d’identifier les paramètres physicochimiques importants pour la durabilité. Ces recherches, qui visent à terme à optimiser les formulations de matériaux en terre crue, seront menées en collaboration avec des architectes spécialistes du domaine.
Métamatériaux multiéchelles à base de composites polymères biosourcés 3D-imprimés
SL-DRF-24-0326
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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La réduction de la densité des matériaux est une des voies privilégiées pour réduire notre empreinte énergétique. Une des solutions consiste à remplacer les matériaux massifs par des microtreillis. Parmi ceux-ci, les structures d’architecture aléatoire inspirées de la structure osseuse possèdent les meilleurs atouts avec un comportement mécanique isotrope et une tenue mécanique accrues tout en répondant aux enjeux de l’économie circulaire et à l'adaptation au changement climatique. Peu consommateurs de matière, ces métamatériaux sont fabriqués par impression 3D et peuvent être compactés en fin de vie. Parmi toutes les technologies de fabrication, l’impression par polymérisation UV de résine liquide organique ou de composite est la plus prometteuse. Elle permet d’obtenir des matériaux résistants mécaniquement, sans générer de déchet de fabrication. Il est en outre possible d’y inclure de forte quantité de charge biosourcées réduisant encore leur impact environnemental.
La thèse proposée ici consiste à mettre au point l’impression de structures en microtreillis composites, depuis la formulation de la résine composite jusqu’à l’étude des propriétés mécaniques (viscoélasticité, limite élastique et résistance à la rupture) en passant par l’étape d’impression et de post-traitement. D’un point de vue plus fondamental, il s’agira d’étudier le lien entre la composition, la forme et les propriétés de surface des charges d’une part, et les propriétés d’imprimabilité de la résine et la réponse mécanique du métamatériau résultant d’autre part. La thèse se focalisera sur l’étude de charge de type cellulose sous forme de nanoparticule, microparticule ou fibre.
Par cette étude multidisciplinaire allant de la molécule chimique à la physique statistique, il s’agira de faire le lien entre la science et la technologie et créer les données de base à un jumeau numérique. Ceci permettra de mieux appréhender l’ensemble des processus et fournira des données de base sur les propriétés d’élasticité et résistance à la rupture qui serviront de socle à la modélisation numérique pour la génération accélérée de nouveaux matériaux.
La thèse proposée ici consiste à mettre au point l’impression de structures en microtreillis composites, depuis la formulation de la résine composite jusqu’à l’étude des propriétés mécaniques (viscoélasticité, limite élastique et résistance à la rupture) en passant par l’étape d’impression et de post-traitement. D’un point de vue plus fondamental, il s’agira d’étudier le lien entre la composition, la forme et les propriétés de surface des charges d’une part, et les propriétés d’imprimabilité de la résine et la réponse mécanique du métamatériau résultant d’autre part. La thèse se focalisera sur l’étude de charge de type cellulose sous forme de nanoparticule, microparticule ou fibre.
Par cette étude multidisciplinaire allant de la molécule chimique à la physique statistique, il s’agira de faire le lien entre la science et la technologie et créer les données de base à un jumeau numérique. Ceci permettra de mieux appréhender l’ensemble des processus et fournira des données de base sur les propriétés d’élasticité et résistance à la rupture qui serviront de socle à la modélisation numérique pour la génération accélérée de nouveaux matériaux.
Synthèse de nanoparticules de diamant à façon pour la production d’hydrogène par photocatalyse
SL-DRF-24-0432
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Labo : https://iramis.cea.fr/NIMBE/LEDNA/
Nos résultats récents montrent que le nanodiamant peut agir comme un photocatalyseur, permettant la production d’hydrogène sous illumination solaire [1]. Malgré sa large bande interdite, sa structure de bande est adaptable selon sa nature et sa chimie de surface [2]. De plus, l’incorporation contrôlée de dopants ou de carbone sp2 conduit à générer des états supplémentaires dans la bande interdite qui augmentent l’absorption de la lumière visible comme le montre une étude récente associant notre groupe [3]. Les performances photocatalytiques des nanodiamants sont très dépendantes de leur taille, de leur forme et de leur concentration en impuretés chimiques. Il donc est essentiel de mettre au point une méthode de synthèse de nanodiamants "à façon" dans laquelle ces différents paramètres pourraient être finement contrôlés, afin de disposer d’une filière de nanodiamants "contrôlés" qui fait actuellement défaut.
Ce sujet de thèse vise à développer la synthèse de nanodiamants par une approche bottom-up utilisant un template sacrificiel (billes ou fibres de silice) sur lequel des germes de diamant < 10 nm seront fixés par interaction électrostatique. La croissance des nanoparticules de diamant à partir de ces germes sera réalisée en exposant ces objets à un plasma de croissance de dépôt chimique en phase vapeur activé par micro-ondes (MPCVD), ce qui permettra de contrôler très finement (i) l’incorporation d’impuretés dans le matériau (ii) sa qualité cristalline (rapport sp2/sp3) (iii) sa taille. Ce dispositif de croissance, qui existe au CEA NIMBE, est utilisé pour la synthèse de cœur-coquilles de diamant dopé au bore [4]. Dans la seconde partie de la thèse, un procédé innovant (demande de brevet en cours) sera mis en œuvre pour réaliser la croissance MPCVD des nanoparticules de diamant en faisant circuler les templates sacrificiels dans un flux gazeux. Au cours de cette thèse, plusieurs types de nanodiamants seront synthétisés : des nanoparticules intrinsèques (sans dopage intentionnel) et des nanoparticules dopées au bore ou à l’azote.
Après croissance, les nanoparticules seront collectées après dissolution du template. Leur structure cristalline, leur morphologie et leur chimie de surface seront étudiées au CEA NIMBE. Une analyse fine de la structure cristallographique et des défauts structuraux sera réalisée par microscopie électronique en transmission à haute résolution.
Les nanodiamants seront ensuite modifiés en surface pour leur conférer une stabilité colloïdale dans l’eau. Leurs performances photocatalytiques pour la production d’hydrogène seront mesurées en collaboration avec l’ICPEES de Strasbourg.
Références
[1] Patent, Procédé de production de dihydrogène utilisant des nanodiamants comme photocatalyseurs, CEA/CNRS, N° FR/40698, juillet 2022.
[2] Miliaieva et al., Nanoscale Adv. 2023.
[3] Buchner et al., Nanoscale (2022)
[4] Henni et al., Diam. Relat. mater. (under review)
Ce sujet de thèse vise à développer la synthèse de nanodiamants par une approche bottom-up utilisant un template sacrificiel (billes ou fibres de silice) sur lequel des germes de diamant < 10 nm seront fixés par interaction électrostatique. La croissance des nanoparticules de diamant à partir de ces germes sera réalisée en exposant ces objets à un plasma de croissance de dépôt chimique en phase vapeur activé par micro-ondes (MPCVD), ce qui permettra de contrôler très finement (i) l’incorporation d’impuretés dans le matériau (ii) sa qualité cristalline (rapport sp2/sp3) (iii) sa taille. Ce dispositif de croissance, qui existe au CEA NIMBE, est utilisé pour la synthèse de cœur-coquilles de diamant dopé au bore [4]. Dans la seconde partie de la thèse, un procédé innovant (demande de brevet en cours) sera mis en œuvre pour réaliser la croissance MPCVD des nanoparticules de diamant en faisant circuler les templates sacrificiels dans un flux gazeux. Au cours de cette thèse, plusieurs types de nanodiamants seront synthétisés : des nanoparticules intrinsèques (sans dopage intentionnel) et des nanoparticules dopées au bore ou à l’azote.
Après croissance, les nanoparticules seront collectées après dissolution du template. Leur structure cristalline, leur morphologie et leur chimie de surface seront étudiées au CEA NIMBE. Une analyse fine de la structure cristallographique et des défauts structuraux sera réalisée par microscopie électronique en transmission à haute résolution.
Les nanodiamants seront ensuite modifiés en surface pour leur conférer une stabilité colloïdale dans l’eau. Leurs performances photocatalytiques pour la production d’hydrogène seront mesurées en collaboration avec l’ICPEES de Strasbourg.
Références
[1] Patent, Procédé de production de dihydrogène utilisant des nanodiamants comme photocatalyseurs, CEA/CNRS, N° FR/40698, juillet 2022.
[2] Miliaieva et al., Nanoscale Adv. 2023.
[3] Buchner et al., Nanoscale (2022)
[4] Henni et al., Diam. Relat. mater. (under review)
Caractérisation in situ et en temps réel de nanomatériaux par spectroscopie de plasma
SL-DRF-24-0388
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/
L'objectif de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de réaliser l'analyse élémentaire in situ et en temps réel de nanoparticules lors de leur synthèse (par pyrolyse laser ou pyrolyse par flamme). La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS) sera utilisée pour identifier les différents éléments présents et de déterminer leur stœchiométrie.
Les expériences préliminaires menées au LEDNA ont montré la faisabilité d'un tel projet et en particulier l'acquisition d'un spectre LIBS d'une nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être développé et amélioré afin d'obtenir un meilleur rapport signal sur bruit, de diminuer la limite de détection, de tenir compte des différents effets sur le spectre (effet de taille des nanoparticules, de composition ou de structure complexe), d'identifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.
En parallèle, d'autres informations pourront être recherchées (via d'autres techniques optiques) comme la densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.
Les expériences préliminaires menées au LEDNA ont montré la faisabilité d'un tel projet et en particulier l'acquisition d'un spectre LIBS d'une nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être développé et amélioré afin d'obtenir un meilleur rapport signal sur bruit, de diminuer la limite de détection, de tenir compte des différents effets sur le spectre (effet de taille des nanoparticules, de composition ou de structure complexe), d'identifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.
En parallèle, d'autres informations pourront être recherchées (via d'autres techniques optiques) comme la densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.
Création d’un jumeau numérique du procédé de Spray Pyrolyse en Flamme
SL-DRF-24-0402
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=leconte
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/leel/
Notre capacité à fabriquer des nanoparticules (NP) d'oxyde métallique avec une composition, une morphologie et des propriétés bien définies est une clé pour accéder à de nouveaux matériaux qui peuvent avoir un impact technologique révolutionnaire, par exemple pour la photocatalyse ou le stockage d'énergie. Parmi les différentes technologies de production, les systèmes de Spray Pyrolyse en Flamme (SPF) constituent une option prometteuse pour la synthèse industrielle de NP. Cette voie de synthèse repose sur l'évaporation rapide d'une solution - solvant plus précurseurs - atomisée sous forme de gouttelettes dans une flamme pilote pour obtenir des nanoparticules. Malheureusement, la maitrise du procède de synthèse SPF est aujourd’hui limitée à cause d’une trop grande variabilité de conditions opératoires à explorer pour la multitude de nanoparticules cibles. Dans ce contexte, l'objectif de ce sujet de thèse est de développer le cadre expérimental et numérique nécessaire au déploiement futur de l’intelligence artificielle pour la maitrise des systèmes SPF. Pour ce faire, les différents phénomènes prenant place dans les flammes de synthèse au cours de la formation des nanoparticules seront simulés, notamment au moyen de calculs de dynamique des fluides. Au final, la création d’un jumeau numérique du procédé est attendue, qui permettra de disposer d’une approche prédictive pour le choix des paramètres de synthèse à utiliser pour aboutir au matériau souhaité, ce qui diminuera drastiquement le nombre d’expériences à réaliser et le temps de mise au point de nouvelles nuances de matériaux.
Analyse in situ par spectroscopie RMN MAS de batteries Li-ion
SL-DRF-24-0325
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Pisp/magali.gauthier/
Labo : https://iramis.cea.fr/nimbe/LEEL/
La résonance magnétique nucléaire à l'état solide (ssNMR) in situ est un outil de caractérisation précieux pour comprendre les réactions électrochimiques lors du fonctionnement d'une batterie. Cependant, les larges signaux obtenus en condition statique empêchent souvent d'exploiter totalement le potentiel de la caractérisation par RMN. Des expériences ssNMR ex situ, utilisant la rotation d'échantillon à angle magique (MAS), sont souvent nécessaires pour interpréter les données in situ. Comme pour toutes les caractérisations ex situ, les analyses ne représentent pas toujours fidèlement les processus électrochimiques en raison d'artefacts indésirables provenant du démontage de la cellule et de la séparation des électrodes. Par conséquent, le développement de la RMN in situ a été limité. Dans cette thèse l’étudiant s'attaquera à cette limitation en développant une cellule électrochimique RMN in situ permettant l'acquisition de données ssNMR à haute résolution avec la technique MAS, et permettant également une nouvelle méthode de spectroscopie ssNMR résolue dans l'espace. La combinaison de mesures in situ, de la technique MAS et de la spectroscopie localisée permettra de disposer d'un outil RMN unique pour approfondir les connaissances fondamentales de la chimie des batteries. Le doctorant mettra en évidence les atouts de l’outil développé en étudiant des phénomènes tels que les interfaces et la formation de dendrites dans des batteries Li-ion en fonctionnement.
Développement de lits granulaires denses et fluidisés dans des canaux microfluidiques pour des applications dans la santé
SL-DRF-24-0399
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Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2024
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Page perso : https://iramis.cea.fr/nimbe/Pisp/florent.malloggi/
Labo : https://iramis.cea.fr/en/Pisp/lions/
Le problème de santé publique majeure qu'est la septicémie nécessite des technologies en rupture pour poser un diagnostic ultra-rapide. Les lits granulaires denses et fluidisés sont des systèmes idéaux pour les processus d'échange liquide-solide ou gaz/solide. Ils sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur rapport surface/volume élevé. Au cours de cette dernière décennie, la microfluidique associée aux laboratoires sur puce a permis de faire de nombreuse avancées notamment dans le cas de la préparation d'échantillon biologique. Nous proposons de développer une plateforme microfluidique polyvente qui permettra de créer de tels lits denses et fluidisés. Nous travaillerons dans un premier temps sur l’incorporation de membranes dans les microcanaux en nous appuyant sur le savoir-faire breveté et développé au laboratoire. Ensuite nous étudierons et caractériserons les lits granulaires pour finalement les tester sur la détection de bactéries dans des échantillons biologiques. Ce travail se fera en collaboration avec nos partenaires physiciens du LEDNA et biologistes du LERI du CEA Saclay.
Stages
Développement de revêtement anticorrosion pour plaques bipolaires de pile à combustible PEMFC
Development of anticorrosion coatings for PEMFC bipolar plates
Candidature avant le
31/05/2024
Durée
6 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
FRANCOIS Mélanie
+33 1 69 08 91 91
Résumé/Summary
Le but de ce stage est développer des revêtements pour plaques bipolaires de piles à combustible PEMFC. Le revêtement devra protéger la plaque bipolaire vis à vis de la corrosion et présenter des propriétés de surface appropriées (mouillabilité) pour assurer le transport des gaz et de l'eau.
The aim of this internship is to develop coatings for bipolar plates in PEMFC fuel cells. The coating will have to protect the bipolar plate from corrosion and have suitable surface properties (wettability) to ensure gas and water transport.
Sujet détaillé/Full description
Contexte : les piles à combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) sont une solution prometteuse pour la production d’énergie propre. Cependant, leur déploiement à grande échelle est toujours limité par certains facteurs tels que leurs performances, leurs durabilités et leur coût de fabrication.
Sujet : Ce stage portera sur le développement des plaques bipolaires, composant qui assure la distribution des gaz et la collection du courant. L’objectif principal sera de développer des revêtements anticorrosion, organiques ou inorganiques, pour plaques bipolaires en acier inoxydable dans le but d’améliorer les performances et la durabilité de celle-ci. Il s’agira de :
i) élaborer différents types de revêtement par voie chimique (électrogreffage) ou physique (pulvérisation cathodique – PVD) sur des substrats en acier inoxydable
ii) caractériser les revêtements : microstructure, composition chimique, corrosion par voltampérométrie et spectroscopie d’impédance électrochimique, mouillabilité par angle de contact, …
iii) transposer le(s) meilleur(s) revêtement(s) sur des plaques bipolaires métalliques élaborées par impression 3D : s’assurer de la bonne adhérence et de faibles résistances interfaciales de contact
iv) étudier les performances des revêtements in-situ avec un assemblage membrane électrode de référence par voltampérométrie et spectroscopie d’impédance électrochimique
Profil recherché : étudiant en master 2 ou équivalent (ingénieur) dans le domaine des sciences des matériaux ou physique-chimie. Des connaissances en électrochimie seraient appréciées.
Laboratoire d’accueil : CEA Paris-Saclay, laboratoire LICSEN (Laboratoire d’Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences).
Sujet : Ce stage portera sur le développement des plaques bipolaires, composant qui assure la distribution des gaz et la collection du courant. L’objectif principal sera de développer des revêtements anticorrosion, organiques ou inorganiques, pour plaques bipolaires en acier inoxydable dans le but d’améliorer les performances et la durabilité de celle-ci. Il s’agira de :
i) élaborer différents types de revêtement par voie chimique (électrogreffage) ou physique (pulvérisation cathodique – PVD) sur des substrats en acier inoxydable
ii) caractériser les revêtements : microstructure, composition chimique, corrosion par voltampérométrie et spectroscopie d’impédance électrochimique, mouillabilité par angle de contact, …
iii) transposer le(s) meilleur(s) revêtement(s) sur des plaques bipolaires métalliques élaborées par impression 3D : s’assurer de la bonne adhérence et de faibles résistances interfaciales de contact
iv) étudier les performances des revêtements in-situ avec un assemblage membrane électrode de référence par voltampérométrie et spectroscopie d’impédance électrochimique
Profil recherché : étudiant en master 2 ou équivalent (ingénieur) dans le domaine des sciences des matériaux ou physique-chimie. Des connaissances en électrochimie seraient appréciées.
Laboratoire d’accueil : CEA Paris-Saclay, laboratoire LICSEN (Laboratoire d’Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences).
Background: PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) fuel cells are a promising solution for clean energy production. However, their large-scale implementation is still limited by factors such as performance, durability and manufacturing cost.
Subject: This internship will focus on the development of bipolar plates, the component that ensures gas distribution and current collection. The main objective will be to develop anticorrosion coatings, organic or inorganic, for stainless steel bipolar plates, the aim is to improve their performance and durability. This will involve :
i) develop different types of coating by chemical (electrografting) or physical (sputtering - PVD) means on stainless steel substrates
ii) characterize coatings: microstructure, chemical composition, corrosion by voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, wettability by contact angle, etc.
iii) transpose the best coating(s) onto metal bipolar plates produced by 3D printing: ensure good adhesion and low interfacial contact resistances
iv) study the performance of in-situ coatings with a reference electrode membrane assembly, using voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.
Candidate profile: Master 2 student or equivalent (engineer) in materials science or physics-chemistry. Knowledge of electrochemistry would be appreciated
Laboratory: CEA Paris-Saclay, LICSEN laboratory (Laboratory for Innovation in Surface Chemistry and Nanosciences).
Subject: This internship will focus on the development of bipolar plates, the component that ensures gas distribution and current collection. The main objective will be to develop anticorrosion coatings, organic or inorganic, for stainless steel bipolar plates, the aim is to improve their performance and durability. This will involve :
i) develop different types of coating by chemical (electrografting) or physical (sputtering - PVD) means on stainless steel substrates
ii) characterize coatings: microstructure, chemical composition, corrosion by voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, wettability by contact angle, etc.
iii) transpose the best coating(s) onto metal bipolar plates produced by 3D printing: ensure good adhesion and low interfacial contact resistances
iv) study the performance of in-situ coatings with a reference electrode membrane assembly, using voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.
Candidate profile: Master 2 student or equivalent (engineer) in materials science or physics-chemistry. Knowledge of electrochemistry would be appreciated
Laboratory: CEA Paris-Saclay, LICSEN laboratory (Laboratory for Innovation in Surface Chemistry and Nanosciences).
Mots clés/Keywords
Chimie ; piles à combustible ; corrosion
Chemistry ; fuel cells ; corrosion
Compétences/Skills
Dépôt de couches minces
Caractérisations usuelles (microscopie, diffraction des rayons X, spectroscopie infrarouge, ...)
Caractérisations électrochimiques (courbes de polarisation et spectroscopie d'impédance)
Thin-film deposition
Standard characterizations (microscopy, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, etc.)
Electrochemical characterization (polarization curves and impedance spectroscopy)
Dispositifs de mesure pour la qualité de l’air
Dispositifs de mesure pour la qualité de l’air
Candidature avant le
31/05/2024
Durée
6 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
MUGHERLI Laurent
+33 1 69 08 94 27
Résumé/Summary
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [see: Mugherli et al, Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al, Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Sujet détaillé/Full description
Contexte :
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Objectif principal :
Ce projet vise à fabriquer des dispositifs de mesure et à les valider, en lien avec un chercheur post-doctorant.
Missions principales :
Trois actions principales seront à conduire :
(i) Fabriquer des matériaux
(ii) Fabriquer des dispositifs de mesures intégrant ces matériaux.
(iii) Evaluer ces dispositifs en présence de polluants, notamment sur banc.
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Objectif principal :
Ce projet vise à fabriquer des dispositifs de mesure et à les valider, en lien avec un chercheur post-doctorant.
Missions principales :
Trois actions principales seront à conduire :
(i) Fabriquer des matériaux
(ii) Fabriquer des dispositifs de mesures intégrant ces matériaux.
(iii) Evaluer ces dispositifs en présence de polluants, notamment sur banc.
Context :
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Main objective:
This project aims to fabricate measurement devices and validate them, in conjunction with a post-doctoral researcher.
Main tasks:
Three main actions will be carried out:
(i) Manufacture materials
(ii) Manufacture measurement devices incorporating these materials.
(iii) Evaluate these devices in the presence of pollutants, notably on a bench.
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Main objective:
This project aims to fabricate measurement devices and validate them, in conjunction with a post-doctoral researcher.
Main tasks:
Three main actions will be carried out:
(i) Manufacture materials
(ii) Manufacture measurement devices incorporating these materials.
(iii) Evaluate these devices in the presence of pollutants, notably on a bench.
Mots clés/Keywords
Capteurs, Détection optique, Environnement, Qualité de l'air
Sensors, Optical detection, Environment, Air quality
Compétences/Skills
Aptitudes R&D : Chimie, Impression 3D, Optique, Spectroscopie
Aptitudes Professionnelles : Autonomie, Efficacité, Créativité, Communication, Rédaction
Intérêts : Environnement, Qualité de l’air
R&D skills: Chemistry, 3D Printing, Optics, Spectroscopy
Professional skills: Autonomy, Efficiency, Creativity, Communication, Writing
Interests: Environment, Air quality
Matériaux colorés pour la qualité de l’air
Colored materials for air quality
Candidature avant le
31/05/2024
Durée
6 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
MUGHERLI Laurent
+33 1 69 08 94 27
Résumé/Summary
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [Voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads See: [Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Sujet détaillé/Full description
Contexte :
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [Voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Objectif principal :
Ce projet vise à fabriquer des matériaux de différentes couleurs, et à évaluer leurs capacités de détection.
Missions principales :
Deux actions principales seront à conduire au cours du stage :
(i) Fabriquer des matériaux par procédé Sol-Gel.
(ii) Evaluer la réactivité de ces matériaux vis-à-vis de polluants.
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [Voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Objectif principal :
Ce projet vise à fabriquer des matériaux de différentes couleurs, et à évaluer leurs capacités de détection.
Missions principales :
Deux actions principales seront à conduire au cours du stage :
(i) Fabriquer des matériaux par procédé Sol-Gel.
(ii) Evaluer la réactivité de ces matériaux vis-à-vis de polluants.
Background :
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [See: Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Main objective :
The aim of this project is to manufacture materials in different colors, and to evaluate their detection capabilities.
Main tasks :
Two main actions will be carried out during the internship:
(i) Manufacture materials using the Sol-Gel process.
(ii) Evaluate the reactivity of these materials towards pollutants.
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [See: Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Main objective :
The aim of this project is to manufacture materials in different colors, and to evaluate their detection capabilities.
Main tasks :
Two main actions will be carried out during the internship:
(i) Manufacture materials using the Sol-Gel process.
(ii) Evaluate the reactivity of these materials towards pollutants.
Mots clés/Keywords
Matériaux, Physico-chimie, Environnement, Qualité de l'air
Materials, Physical chemistry, Environment, Air quality
Compétences/Skills
Aptitudes R&D : Chimie, Physico-chimie, Optique, Spectroscopie
Aptitudes professionnelles : Autonomie, Efficacité, Créativité, Communication, Rédaction
Intérêts : Environnement, Qualité de l’air.
R&D skills: Chemistry, Physical chemistry, Optics, Spectroscopy
Professional skills: Autonomy, Efficiency, Creativity, Communication,
Interests: Environment, Air quality.
Matériaux formatés pour la qualité de l’air
Candidature avant le
31/05/2024
Durée
6 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
MUGHERLI Laurent
+33 1 69 08 94 27
Résumé/Summary
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [Voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
To detect pollutants in the air, we develop compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [See : Mugherli et al, Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al, Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Sujet détaillé/Full description
Contexte :
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Objectif principal :
Ce projet vise à fabriquer des matériaux de différents formats, et notamment avec des procédés microfluidiques. Les actions seront réalisées en lien avec un doctorant.
Missions principales :
Deux actions principales seront à conduire :
(i) Fabriquer des matériaux par procédé Sol-Gel.
(ii) Caractériser la structure et la fonction de ces matériaux.
Pour détecter des polluants dans l’air, nous développons des dispositifs de mesure compacts, performants et légers. Ces dispositifs sondent la réactivité chimique des polluants gazeux grâce à des microbilles colorées [voir : Mugherli et al., Lab-on-a-Chip 2020 ; Guittet et al., Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Objectif principal :
Ce projet vise à fabriquer des matériaux de différents formats, et notamment avec des procédés microfluidiques. Les actions seront réalisées en lien avec un doctorant.
Missions principales :
Deux actions principales seront à conduire :
(i) Fabriquer des matériaux par procédé Sol-Gel.
(ii) Caractériser la structure et la fonction de ces matériaux.
Context :
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [see: Mugherli et al, Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al, Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Main objective:
This project aims to fabricate materials of various formats, and in particular with microfluidic processes. Actions will be carried out in conjunction with a PhD student.
Main tasks:
Two main actions will be carried out:
(i) Fabricate materials using Sol-Gel processes.
(ii) Characterize the structure and function of these materials.
To detect pollutants in the air, we are developing compact, high-performance, lightweight measuring devices. These devices probe the chemical reactivity of gaseous pollutants using colored microbeads [see: Mugherli et al, Lab-on-a-Chip 2020; Guittet et al, Journal of Sol-gel Science and Technology 2023].
Main objective:
This project aims to fabricate materials of various formats, and in particular with microfluidic processes. Actions will be carried out in conjunction with a PhD student.
Main tasks:
Two main actions will be carried out:
(i) Fabricate materials using Sol-Gel processes.
(ii) Characterize the structure and function of these materials.
Mots clés/Keywords
Matériaux, Détection optique, Environnement, Qualité de l'air
Materials, Optical detection, Environment, Air quality
Compétences/Skills
Aptitudes R&D : Chimie, Microfluidique, Optique
Aptitudes professionnelles : Autonomie, Efficacité, Créativité, Communication, Rédaction
Intérêts : Environnement, Qualité de l’air
R&D skills: Chemistry, Microfluidics, Optics
Professional skills: Autonomy, Efficiency, Creativity, Communication, Writing
Interests: Environment, Air quality
Synthèse par CVD de nanoparticules de diamant à façon
CVD synthesis of tailored nanodiamonds
Candidature avant le
30/04/2024
Durée
6 mois
Poursuite possible en thèse
oui
Contact
GIRARD Hugues
+33 1 69 08 47 60
Résumé/Summary
Sujet détaillé/Full description
Les nanoparticules de diamant possèdent des propriétés chimiques, électroniques, thermiques et optiques exceptionnelles. Ces nanoparticules sont activement étudiées pour la nanomédecine, les applications énergétiques, les technologies quantiques et les lubrifiants et composites avancés [1-3]. Pour la plupart de ces applications, la qualité cristalline du noyau de diamant est essentielle et les particules les plus étudiées sont broyées à partir de diamant en vrac. Néanmoins, ces particules présentent une grande dispersion de taille, des anisotropies de forme et des concentrations variables d'impuretés chimiques. Ces aspects affectent fortement leurs propriétés. Il est donc nécessaire de développer une méthode de synthèse pour produire des nanodiamants hautement cristallins avec un contrôle précis de leur taille, de leur morphologie et des impuretés chimiques.
Ce stage de M2 vise à développer une synthèse "bottom-up" basée sur des supports sacrificiels (billes ou fibres de silice) sur lesquels des graines de diamant nanométriques seront attachées via des interactions électrostatiques. La croissance du diamant sera réalisée par l'exposition des gabarits ensemencés à un plasma CVD assisté par micro-ondes (MPCVD). Ce dispositif de croissance est déjà utilisé au CEA NIMBE pour la synthèse de coques de diamant [4]. Les paramètres de croissance seront ajustés pour sélectionner la taille, la forme et la concentration des impuretés chimiques (azote, bore) dans les nanodiamants. Après la croissance CVD, les nanoparticules seront collectées par dissolution des supports. Leur structure cristalline, leur morphologie et leur chimie de surface seront caractérisées au CEA NIMBE par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX) et spectroscopies Raman, infrarouge (FTIR) et photoélectrons (XPS). Une collaboration externe permettra d'étudier la qualité cristalline du diamant et d'identifier les défauts structurels dans les nanodiamants cultivés par CVD par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HR-TEM).
Plusieurs types de nanodiamants seront cultivés : d'abord des particules intrinsèques (sans dopage intentionnel), puis des particules dopées au bore. Les deux types de particules seront ensuite modifiés en surface pour obtenir une stabilité colloïdale dans l'eau.
Références :
[1] N. Nunn, M. Torelli, G. McGuire, O. Shenderova, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1-9. [2] Y. Wu, F. Jelezko, M. Plenio,T. Weil, Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586–6598.
[3] H. Wang, Y. Cui, Energy Applications 1 (2019) 13-18.
[4] A. Venerosy et al., Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122-131.
Ce stage de M2 vise à développer une synthèse "bottom-up" basée sur des supports sacrificiels (billes ou fibres de silice) sur lesquels des graines de diamant nanométriques seront attachées via des interactions électrostatiques. La croissance du diamant sera réalisée par l'exposition des gabarits ensemencés à un plasma CVD assisté par micro-ondes (MPCVD). Ce dispositif de croissance est déjà utilisé au CEA NIMBE pour la synthèse de coques de diamant [4]. Les paramètres de croissance seront ajustés pour sélectionner la taille, la forme et la concentration des impuretés chimiques (azote, bore) dans les nanodiamants. Après la croissance CVD, les nanoparticules seront collectées par dissolution des supports. Leur structure cristalline, leur morphologie et leur chimie de surface seront caractérisées au CEA NIMBE par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction des rayons X (DRX) et spectroscopies Raman, infrarouge (FTIR) et photoélectrons (XPS). Une collaboration externe permettra d'étudier la qualité cristalline du diamant et d'identifier les défauts structurels dans les nanodiamants cultivés par CVD par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HR-TEM).
Plusieurs types de nanodiamants seront cultivés : d'abord des particules intrinsèques (sans dopage intentionnel), puis des particules dopées au bore. Les deux types de particules seront ensuite modifiés en surface pour obtenir une stabilité colloïdale dans l'eau.
Références :
[1] N. Nunn, M. Torelli, G. McGuire, O. Shenderova, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1-9. [2] Y. Wu, F. Jelezko, M. Plenio,T. Weil, Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586–6598.
[3] H. Wang, Y. Cui, Energy Applications 1 (2019) 13-18.
[4] A. Venerosy et al., Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122-131.
Diamond nanoparticles behave outstanding chemical, electronic, thermal and optical properties. Such nanoparticles are actively investigated for nanomedecine, energy applications, quantum technologies and advanced lubricants and composites [1-3]. For the major part of these applications, the crystalline quality of the diamond core is essential and the most studied particles are milled from bulk diamond. Nevertheless, these particles exhibit a wide size dispersion, shape anisotropies and variable concentrations of chemical impurities. These aspects strongly affect their properties. It is thus required to develop a synthesis method to grow highly crystalline nanodiamonds with an accurate control of their size, morphology and chemical impurities.
This M2 intership aims to develop a bottom-up synthesis based on sacrificial templates (silica beads or fibers) on which nanometric diamond seeds will be attached via electrostatic interactions. Diamond growth will be achieved by an exposure of the seeded templates to a micro-wave assisted CVD plasma (MPCVD). The growth set-up is already in use at CEA NIMBE for diamond core-shells synthesis [4]. Growth parameters will be adjusted to select the size, the shape and the concentration of chemical impurities (nitrogen, boron) in nanodiamonds. After CVD growth, nanoparticles will be collected by dissolution of the templates. Their crystalline structure, morphology and surface chemistry will be characterized at CEA NIMBE by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Raman, infra-red (FTIR) and photoelectrons (XPS) spectroscopies. An external collaboration will allow an investigation of the diamond crystalline quality and the identification of structural defects in CVD grown nanodiamonds by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM).
Several kinds of nanodiamonds will be grown : first, intrinsic particles (without intentional doping), then boron doped particles. Both types of particles will be then surface modified to get a colloidal stability in water.
References:
[1] N. Nunn, M. Torelli, G. McGuire, O. Shenderova, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1-9. [2] Y. Wu, F. Jelezko, M. Plenio,T. Weil, Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586–6598.
[3] H. Wang, Y. Cui, Energy Applications 1 (2019) 13-18.
[4] A. Venerosy et al., Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122-131.
This M2 intership aims to develop a bottom-up synthesis based on sacrificial templates (silica beads or fibers) on which nanometric diamond seeds will be attached via electrostatic interactions. Diamond growth will be achieved by an exposure of the seeded templates to a micro-wave assisted CVD plasma (MPCVD). The growth set-up is already in use at CEA NIMBE for diamond core-shells synthesis [4]. Growth parameters will be adjusted to select the size, the shape and the concentration of chemical impurities (nitrogen, boron) in nanodiamonds. After CVD growth, nanoparticles will be collected by dissolution of the templates. Their crystalline structure, morphology and surface chemistry will be characterized at CEA NIMBE by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Raman, infra-red (FTIR) and photoelectrons (XPS) spectroscopies. An external collaboration will allow an investigation of the diamond crystalline quality and the identification of structural defects in CVD grown nanodiamonds by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM).
Several kinds of nanodiamonds will be grown : first, intrinsic particles (without intentional doping), then boron doped particles. Both types of particles will be then surface modified to get a colloidal stability in water.
References:
[1] N. Nunn, M. Torelli, G. McGuire, O. Shenderova, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1-9. [2] Y. Wu, F. Jelezko, M. Plenio,T. Weil, Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586–6598.
[3] H. Wang, Y. Cui, Energy Applications 1 (2019) 13-18.
[4] A. Venerosy et al., Diam. Relat. Mater. 89 (2018) 122-131.
Mots clés/Keywords
Nanomatériaux, synthèse CVD
Nanomaterials, CVD synthesis
Compétences/Skills
MPCVD, MEB, TEM, DRX, Raman, FTIR, DLS, XPS
MPCVD, MEB, TEM, DRX, Raman, FTIR, DLS, XPS
Images
![L’ion uranyle [UO2]2+ : un catalyseur efficace pour la réduction de doubles liaisons C=O](http://iramis.cea.fr/Images/astImg/mr_3153_1.jpg)
