CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


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Oscillation auto-entretenue d'un ménisque dans un capillaire induite par évaporation/condensation : le caloduc oscillant
Self-sustained meniscus oscillation in a capillary caused by evaporation/condensation: pulsating heat pipe

Spécialité

Mécanique des fluides

Niveau d'étude

Bac+3

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2020

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

Gilbert Zalczer
+33 1 69 08 31 64

Résumé/Summary
Ce stage expérimental est destiné aux étudiants souhaitant travailler à la frontière entre les sciences fondamentales et des applications industrielles. Le stagiaire travaillera avec le prototype du caloduc oscillant en traitant des données thermiques et des images optiques.
This experimental internship is for students seeking to work on a border between fundamental science and industrial engineering applications. The trainee will work with the pulsating heat pipe prototype and process the thermal data and optical images.
Sujet détaillé/Full description
Ce stage expérimental est destiné aux étudiants souhaitant travailler à la frontière entre les sciences fondamentales et des applications industrielles.
De nombreux procédés produisent des dégagements de chaleur importants et localisés et sont limités par la capacité d'évacuation de cette chaleur. Les caloducs, des dispositifs servant à gérer ces flux de chaleur fonctionnent sans autre apport d'énergie et ne comportent aucune pièce mobile. Ils sont maintenant présentes dans tous les appareils, notamment dans des téléphones portables. Un représentant de la famille des caloducs, le caloduc oscillant est un moyen très efficace de transférer des grands flux de chaleur. Le caractère chaotique de son fonctionnement doit être mieux maîtrisé pour qu'il soit applicable couramment.
Récemment nous avons pu récupérer un montage expérimental du CEA Grenoble et sommes en train de le remettre en état de marche. La possibilité de conjuguer théorie et expérience permettrait de gros progrès : dans notre équipe le caloduc oscillant est étudié aussi théoriquement et numériquement.
Ce montage expérimental comporte de nombreux aspects : thermique, vide, électronique, acquisition de données, informatique, imagerie et analyse d'images, etc.
Le stagiaire abordera les sujets suivants
• La gestion d’un projet expérimental : mise en œuvre du caloduc oscillant comportant des parties transparentes, l’acquisition numérique des données, observation optique
• La thermique des fluides diphasiques
• L’écoulement des fluides avec le transfert de chaleur
• Dynamique non-linéaire d’un système chaotique
Le stagiaire sera basé au centre CEA-Saclay, au Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC) au sein du groupe des Systèmes Physiques Hors-équilibre, hYdrodynamique, éNergie et compleXité (SPHYNX).
This experimental internship is for students seeking to work on a border between fundamental science and industrial engineering applications.
Many processes produce large and localized heat releases and are limited by the ability to evacuate this heat. Heat pipes, devices used to manage these heat flows operate without additional energy and have no moving parts. They are now present in all devices, from mobile phones to airplane engines. One representative of the heat pipe family, the pulsating (or oscillating) heat pipe, is a very efficient device for transferring large heat fluxes. The nonstationary (chaotic) dynamics of its operation must be better mastered for its industrial application. Recently an experimental setup from CEA Grenoble has been transferred to SPEC. We are now reassembling it. This experiment is done in close interaction with the theoretical approaches and numerical simulation conducted within our team.
This experimental work has many aspects: thermal, vacuum, electronics, data acquisition, computer science, imaging and image analysis, etc.
The trainee will address the following topics
• Management of an experimental project: implementation of the oscillating heat pipe with transparent parts, digital data acquisition, optical observation
• Management of fluid circuits
• Flow of two-phase fluids with heat transfer
• Non-linear dynamics of a chaotic system
The trainee will be based in the CEA-Saclay center, at the Laboratory of Condensed Matter Physics (SPEC) in the Group of physical systems out of equilibrium, hydrodynamics, energy, and complexity (SPHYNX).
Mots clés/Keywords
Transfert de l'énergie, thermique, instrumentation pour la physique
Energy transfer, Fluid mechanics, instruments for physics
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Peut-on simuler le climat sur un ordinateur portable ?

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03/04/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary
Dans ce stage, nous proposons une nouvelle approche pour la simulation d'écoulements climatiques, qui consiste à considérer toute la gamme des échelles, mais en raréfiant le nombre d’échelles prises en compte au fur et à mesure que l’on descend en taille. Le modèle correspondant est sans paramètre ajustable, et peut etre simulé sur un ordinateur portable.

Le but de ce stage est de tester les limites de ce modèle, en l’appliquant sur une représentation simplifiée de l’atmosphère. La majeure partie du travail impliquera des simulation en Matlab, sur un petit ordinateur. Des comparaison avec des resultats numériques issus de simulations de toute la gamme d’échelle seront également éffectuées.
Sujet détaillé/Full description
Les gaz à effet de serre produits par l’activité humaine influencent le climat de la Terre. Pour comprendre et prédire cette influence, la communauté scientifique utilise entre autre des simulations numériques du système climatique. Ce dernier est multi-composant, et implique une gamme pharaonique d’échelles : par exemple, la simulation de l’athmosphère (une des composantes du climat) requière en principe la prise en compte de toutes les echelles entre celle des ouragans (100 km) et celles à laquelle l’énergie est dissipée (0.1 mm), soit une gamme d’échelle de 1011. Cette gamme d’échelle est inaccessible aux plus grands ordinateurs existant actuellement, qui n’ont ni assez de mémoire, ni assez de CPU pour traiter un tel nombre de degré de libertés.

Par ailleurs, le traitement complet de toutes les échelles du problème cache un gaspillage énorme : 90 pour cent des ressources informatiques sont monopolisées par le traitement des toutes petites échelles (inférieur à 1m), alors que seules les grandes échelles intéressent les scientifiques, le climat à l’échelle d’une maison n’ayant que peu de pertinence.

La solution actuelle adoptée par les climatologues est d’introduire des « modèles de turbulence », grâce auquels l’influence des petites échelles est paramétrisée via des loi empirique, au prix de l’introduction de paramètres ajustables. Ainsi, un modèle de climat moderne en comporte plus de 100. L’ajustement de ces paramètres empiriques est alors un enjeu majeur, qui n’est pas encore résolu.

Dans ce stage, nous proposons une nouvelle approche, qui consiste à considérer toute la gamme des échelles, mais en raréfiant le nombre d’échelles prises en compte au fur et à mesure que l’on descend en taille. Le modèle correspondant est sans paramètre ajustable, et peut etre simulé sur un ordinateur portable.

Le but de ce stage est de tester les limites de ce modèle, en l’appliquant sur une représentation simplifiée de l’atmosphère. La majeure partie du travail impliquera des simulation en Matlab, sur un petit ordinateur. Des comparaison avec des resultats numériques issus de simulations de toute la gamme d’échelle seront également éffectuées.


Le cœur de ce stage est numérique, mais des développements théoriques sur théorie de la turbulence via le formalisme multi-fractal et les ondelettes pourront être effectués. Ce stage sera encadré par B. Dubrulle (CNRS). Le sujet stage requiert une solide formation de physicien, en particulier en physique nonlinéaire, ainsi qu’un goût prononcé pour le numérique. Il pourra éventuellement déboucher sur une thèse sur une thématique voisine.
Mots clés/Keywords
géophysique, calcul numérique, turbulence
Compétences/Skills
Le cœur de ce stage est numérique, mais des développements théoriques sur théorie de la turbulence via le formalisme multi-fractal et les ondelettes pourront être effectués.
Logiciels
matlab
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Relever le défi de la transition vitreuse par manipulation optique de molécules.
Taking up the challenge of the glass transition by optical manipulations of molecules.

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/06/2020

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

LADIEU Francois
+33 1 69 08 72 49

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

Objectifs :
Dans ce contexte, nous venons de construire "une expérience de pensée" proposée récemment par des physiciens théoriciens qui permettra de démontrer ou infirmer la présence d’une transition thermodynamique vers un état vitreux. L’expérience consiste à étudier la réponse d’un liquide surfondu dans lequel des molécules choisies aléatoirement sont bloquées – ou "clouées" - dans l’espace : si ce blocage d’une faible fraction de particules modifie la dynamique globale, cela signifie qu’un ordre est bel et bien instauré dans le système, même si sa nature extrêmement complexe le rend indétectable par les méthodes standards de diffusion du rayonnement. L’approche que nous avons échafaudée requiert i) la mise au point de molécules manipulables optiquement, ii) la construction de l‘expérience optique permettant de réaliser du clouage aléatoire dans le liquide bien choisi, et iii) la comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Le stage, et/ou la thèse, consistera à travailler sur l’amélioration et l’exploitation de cette expérience.
Détails et profil recherché.

Ce projet est une collaboration réunissant toutes les compétences nécessaires entre physiciens, chimistes et théoriciens, situés près de Paris au CEA de Saclay et à l’université de Montpellier. Le stage et/ou la thèse se déroulera essentiellement dans les laboratoires NIMBE/LIONS et SPEC/SPHYNX du CEA de Saclay. Nous recherchons un candidat qui, en s’appuyant sur les expertises disponibles sur place, souhaite s’investir sur le projet, en apportant ses compétences en physique expérimentale (principalement en optique, et en spectroscopie diélectrique).
According to the Nobel Prize awardee P.W. Anderson “The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the nature of glass and the glass transition”. This sentence reflects the fact that we still do not know if glasses are a true thermodynamic phase of matter or, on the contrary, if they are just out of equilibrium liquids which have become too viscous to flow on human time scales. Finding the answer to this seemingly simple question is hampered by the fact that, when decreasing temperature, the relaxation time of glass forming liquids becomes so large that one cannot rely onto the experimental techniques used to evidence standard thermodynamic phase transitions (e.g. liquid/gas transition or liquid/crystal transition). By using a totally new approach we aim at unveiling the nature of the glass transition, which is of great importance both for fundamental physics and for applications, since glasses play an increasing role in modern technologies (e.g. in optical fibers for communications, in photovoltaic devices, or in airplanes fuselages).

More precisely, we have just built an experiment corresponding to the “ideal thought experiment” proposed recently by some theorists, so as to unveil the presence or the absence of a true thermodynamic glass transition. In this experiment a fraction of molecules, randomly chosen in space, is pinned and one monitors the response of the rest of the liquid: if this pinning of a small fraction of molecules changes the global dynamics of the liquid, this means unambiguously that an order was present before establishing the pinning field, even though the extremely complex nature of this order had made it impossible to evidence by standard experimental tools. The approach that we have built involves: i) designing the optically sensitive molecules; ii) building an optical setup allowing the realize pinning in the well-chosen liquid; iii) comparing the experimental results to the theoretical predictions. The internship and/or the thesis consists in working onto the improvment and the exploitation of this experiment.

This project is a collaboration gathering all the required expertise between physicists, chemists, and theoreticians working at CEA Saclay –near Paris- and in the University of Montpellier. The internship and/or the thesis will mainly take place in the NIMBE/LIONS and SPEC/SPHYNX laboratories in the CEA center of Saclay. We are looking for a candidate who, by relying onto the expertise available in the laboratories, really wants to invest herself/himself onto this project by providing us his/her skills in experimental physics (mainly optics, and dielectric spectroscopy).
Mots clés/Keywords
Physique statistique, physique des liquides, physique des systèmes complexes, physique théorique,
Statistical physics, physics of liquids, complex systems, theoretical physics
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Supercondensateur ionique à charge thermique à électrodes VACNT (Vertically Aligned Carbon Nanotubes)
Thermally charging ionic supercapacitor with vertically aligned carbon nanotube (VACNT) electrodes

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/05/2020

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

NAKAMAE Sawako
+33 1 69 08 75 38/93 07

Résumé/Summary
Stage expérimental dans le domaine de la science des énergies renouvelables (récupération de la chaleur perdue). Développment et caractérisation de supercondensateurs à liquide ionique fabriqués avec des électrodes de carbone nanostructurées. Domaines d'étude: Physique, Science des matériaux, Physique des fluides, Chimie physique.
Experimental internship in the field of renewable energy science (waste-heat recovery). Develop and characterize ionic-liquid supercapacitors made with nanostructured carbon electrodes. Domain: Physics, Materials Science, Fluid Physics, Physical Chemistry.
Sujet détaillé/Full description
Les supercondensateurs stockent les charges électriques par la formation de doubles couches électriques (EDL) à l'interface électrolyte/électrode. Ils se caractérisent par des temps de charge/décharge plus courts que les batteries, mais ils souffrent d'une densité d'énergie stockée plus faible. Par conséquent, les supercondensateurs sont utilisés dans les applications à alimentation rapide et à basse tension, telles que les sauvegardes de mémoire volatile. Au contraire des supercondensateurs conventionnels qui sont chargés par l’application de tension électrique externe, les supercondensateurs ioniques à charge thermique (TISC) se chargent à l'aide de chaleur via les effets thermoélectriques à l'intérieur de l'électrolyte et de l'interface électrolyte/électrode (EDL). En tant que tel, le TISC fabriqué à partir de liquides ioniques fortement thermoélectriques est considéré comme une technologie alternative pour la récupération de chaleur perdue. La performance des TISC dépend de plusieurs paramètres clés; comme notamment, la tension thermoélectrique induite dans le liquide et la capacité de charge spécifique des électrodes. Une possibilité pour améliorer cette dernière est d'augmenter la surface effective de l'électrode par nanostructuration. Par exemple, les matériaux à base de nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNT) sont des candidats prometteurs pour la construction d’un supercondensateur efficace. Cependant, les processus électrochimiques et physiques précis des TISC ne sont pas encore clairs, et il reste à déterminer si le TISC peut devenir concurrentiel par rapport aux autres technologies de stockage d'énergie thermosélectrochimique.
Le stage proposé au SPHYNX/SPEC/IRAMIS (UMR 3680 CEA-CNRS) et LEDNA/NIMBE/IRAMIS est principalement expérimental: caractérisation des propriétés thermoélectriques de dispositifs TISC utilisant des électrodes VACNT. L'étudiant participera également à l'élaboration de l'électrode. Plus précisément, il/elle effectuera des mesures thermoélectriques et capacitives, implémentera des techniques d'acquisition de données automatisées et analysera les données obtenues. L’étudiant(e) acquerira également une expérience pratique des techniques de base de caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique et mesures d’impédance). La synthèse des électrodes se déroulera au sein du LEDNA, en utilisant leur processus « one-step » développé pour la croissance directe et contrôlée de nanotubes de carbone denses alignés verticalement. En plus de ces responsabilités principales, l’étudiant aura également l’occasion d’apprendre des techniques de caractérisation de matériaux telles que la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la microscopie électronique à transmission (au LEDNA). Pour un.e candidat.e motivé.e, la participation à l’investigation numérique des interactions liquide ionique-électrode par la technique de simulation de Monte Carlo peut également être envisagée. En fonction de l’avancement des travaux, ce stage peut être converti en thèse dans laquelle une comparaison systématique des phénomènes thermoélectriques à la morphologie (les arrangements de nanotubes, longueurs, distribution diamètre/densité, etc.) sera effectuée afin de comprendre les mécanismes physiques et électrochimiques à l’origine de la conversion thermoélectrique dans les supercondensateurs ioniques.
Supercapacitors store electrical charge via electrical double-layer (EDL) formation at the electrolyte/electrode interface. They are characterized by their faster charging/discharging times compared to batteries, but suffer from lower energy (charge) density. Therefore, supercapacitors are used in quick power delivery and low-voltage applications such as in volatile memory backups. While conventional supercapacitors are charged using an external voltage source, Thermally Charged Ionic Supercapacitors (TISC) take advantage of the thermoelectric effects inside the electrolyte (thermos-electro diffusion) and at the electrolyte/electrode interface (EDL) to charge itself using ‘heat.’ As such TISC made with highly thermoelectric ionic liquids is considered as an alternative technology for waste-heat recovery applications. The performance of TISC’s depends on key parameters; notably, the induced thermoelectric voltage and the specific capacitance of the electrodes. One possibility to improve the latter is to increase the electrode surface area by nanostructuration. For example, vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) based materials are a promising candidate to build an efficient supercapacitor. However, the precise electrochemical and physical processes in TISCs are still unclear; and it is yet to be determined if TISC can become competitive against other thermos-electrochemical energy storage technologies.
The proposed internship at SPHYNX/SPEC/IRAMIS (UMR 3680 CEA-CNRS) and LEDNA/NIMBE/IRAMIS mainly experimental: the characterization of thermoelectric properties of TISC devices using VACNT electrodes in combination with the mixtures of ionic liquids and organic solvents. The student will also participate in the electrode elaboration. More specifically, he/she will perform thermoelectrical and capacitance measurements, implementation of automated data acquisition techniques and analysis of the resulting data obtained. The student will also acquire hands-on experience in basic electrochemical characterization techniques (cyclic voltammetry and impedance measurements). The electrode synthesis will be conducted at LEDNA, using their 1-step process developed for the direct and controlled growth of vertically aligned and dense carbon nanotubes. In addition to these principal responsibilities, the student will also have the opportunity to learn materials characterization techniques such as Scanning Electron Microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy and Transmission Electron Microscopy (at LEDNA). For a motivated candidate, participation in the numerical investigation of ionic liquid – electrode interactions through Monte Carlo simulation technique can also be envisaged. A successful internship may be converted to a PhD research in where a systematic comparison of thermoelectric data to the morphology (nanotube arrangements, lengths, diameter/density distribution etc.) will be investigated in order to understand the physical and electrochemical mechanisms of the thermoelectric energy conversion in complex liquids based ionic supercapacitors.
Mots clés/Keywords
Thermoélectricité, nanomatériaux, énergie renouvelable, thermodynamique
Thermoelectricity, nanomaterials, renewable energy, thermodynamics
Compétences/Skills
Caractérisation des propriétés thermoélectriques Caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique et mesures d’impédance) Synthèse des électrodes VACNT Caractérisation des électrode (MEB, XPS, TEM..)
Thermoelectric property characterization Electrochemical measurements (CV, impedance) VACNT electrode synthesis Electrode characterizations (SEM, XPS and TEM)
Logiciels
LabView MatLab

 

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