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Univ. Paris-Saclay
Physique, chimie, nanosciences et matériaux autour des grands instruments
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  Physique, chimie, nanosciences et matériaux autour des grands instruments

L'objectif Utiliser les neutrons pour étudier les propriétés de la matière : c'est la mission du Laboratoire Léon Brillouin (LLB).

Physique de la matière condensée, étude par l’interaction rayonnement matière

Les grandes installations de l’IRAMIS, telles que les spectromètres de diffusion, de diffraction et les stations d’imagerie de neutrons du LLB ou l’accélérateur SIRIUS du LSI, sont particulièrement adaptées à l’étude des propriétés physiques de la matière condensée.

Ces études sont, en général, menées en collaboration étroite avec des laboratoires extérieurs qui maîtrisent la synthèse des matériaux. Elles peuvent concerner les propriétés structurales de la matière condensée (changement de phase, structure locale des liquides ou des matériaux), les propriétés magnétiques des solides, de transports électroniques, en particulier dans le cas de supraconducteurs ou des matériaux multi-ferroïques. Dans ces derniers cas, la capacité de pénétration des neutrons et le spin de ce dernier en font une sonde extrêmement riche de la matière.

 

Etudes environnementales par faisceaux d’ions

Comme les stations d’irradiation et d’études en ligne à base de faisceaux d’ions de l’IRAMIS sont ouvertes aux communautés nationales et internationales, un certain nombre d’études collaboratives y sont menées pour caractériser des matériaux naturels, tels que des roches volcaniques ou des éléments de comètes. De façon complémentaire, il est aussi possible d'analyser en laboratoire la réactivité de petites molécules ou d’agrégats sous bombardement ionique, afin de comprendre l'évolution de la matière dans les hautes couches de l’atmosphère ou dans l’espace interstellaire.

 
#11 - Màj : 10/10/2018
 

L’étude des défauts aux différentes échelles est un thème fédérateur pour les équipes du LSI, tant au plan expérimental que théorique, et regroupe les études sur :

  1. défauts à l’échelle atomique dans les verres, les semi-conducteurs III-V que nous pouvons identifier finement grâce aux développements instrumentaux en cours ;
  2. défauts d’irradiation dans les semi-conducteurs de cellules solaires spatiales dont nous étudions la dégradation des performances ;
  3. désordre protonique inter-couche dans les hydroxydes lamellaires et conséquences vis-à-vis de la réactivité.

Un deuxième thème se greffe naturellement sur ce premier axe, en regroupant les projets liés à la structuration de la matière :

  1. pour la conception de nouveaux matériaux et interfaces optimisés du point de vue des propriétés, en jouant sur les défauts ponctuels ou étendus,
  2. l’étude de la structure cristalline de composés sulfo-alumineux et de ses conséquences sur la réactivité.

A cette thématique s'ajoute l’étude de la structuration des verres phosphates par irradiation.

 

De par leur activité de Recherche Fondamentale, les chercheurs de l'IRAMIS sont très présents autour des Grands Instruments de la Recherche français et étrangers : le Laboratoire Léon Brillouin (LLB), au sein de l'IRAMIS, et  l'Institut Laüe-Langevin, les synchrotrons (SOLEIL, ESRF, ELETTRA....) ou encore le GANIL avec les sources d'ions du CIMAP.

Les plateformes LASER du LIDYL font parties de LASERLAB-EUROPE (Integrated Initiative of European Laser Research Infrastructures). Les compétences en neutronique du LLB contribuent à la réalisation de 6 instruments autour de la source de neutrons européenne à spallation ESS.

Sur la base de travaux pionniers établis dans les années 70 au LLB, la physique des polymères et plus largement l’étude de systèmes relevant de la matière molle (tensio-actifs, nanoparticules) continue d'être un domaine très actif de l’équipe matière molle au laboratoire. Parmi les différents sujets abordés, des efforts spécifiques ont été consacrés à la compréhension de l’origine des propriétés mécaniques remarquables dans des nanocomposites à base de polymère en élaborant des systèmes modèles à base de nanoparticules greffées obtenues par des méthodes de synthèse et/ou fonctionnalisées afin de varier la dispersion des nanoparticules et in fine, les propriétés optiques (résonnance plasmon), chirales, catalytiques et de renforcement. Ces nanoparticules peuvent s’auto-organiser en volume dans un liquide ou un fondu de polymère ou un élastomère mais également sous forme de films 2D formés et contrôlés par des liaisons covalentes. On étudie également la structure, l’organisation et les propriétés mécaniques de milieux poreux formés par séchage contrôlé de solutions de particules en volume ou sur une surface. D’autres domaines de physico-chimie étudiés concernent le comportement des poly électrolytes, soit dans des solutions pures ou complexées avec des objets de charges opposées (protéines, nanoparticules inorganique), et d’étudier l’impact du chemin de formulation de ces systèmes hors équilibre comme voie d’ajustement des propriétés macroscopiques. Nous étudions également des systèmes multi-composants d’intérêt industriel tels que les mousses alimentaires, des émulsions et fluides pétroliers ou encore de gels de bio-polymères pour les applications en pharmacie dont l’objectif est de relier la structure locale avec les propriétés macroscopiques (viscosité, stabilité…). Une activité importante est développée autour de vésicules à base de copolymères à blocs pour l’encapsulation de principes actifs et le relargage contrôlé et parfois ciblée par l’application d’un stimulus physico-chimique (changement de pH, de température, application d’un champ magnétique pour l’hyperthermie). On s’intéresse spécifiquement à la conformation de polymères en films minces ainsi qu’à la structure de matériaux pour la catalyse. Pour les applications agro-alimentaires, on étudie la dénaturation des protéines, l’impact de la pression, de la température, des sels, du pH ainsi que des mélanges protéines-polyosides aux interfaces liquide-solide (matériaux nano ou mésoporeux) liquide-liquide (émulsion)/ liquide-air (mousse). Une partie de l’activité s’oriente maintenant vers l’étude de polymères ou copolymères conducteurs et semi-cristallins, ainsi que vers la synthèse de matériaux multifonctionnels à base de charges hybrides, poly-phasiques permettant de combiner plusieurs propriétés macroscopiques telles que la stabilité mécanique et la conduction protonique ou la transparence du matériau. Sur l’ensemble des systèmes abordés par l’équipe matière molle, on bénéficie des possibilités uniques de variation de contraste et de deutération d’un des composants des systèmes de matière molle étudiés mais aussi en diffusion de rayonnement de la complémentarité entre les rayons x et les neutrons pour une gamme de taille caractéristique allant du nm à quelques centaines de nm. Pour certaines études, nous utilisons un nouvel équipement interne de diffusion de rayons x aux petits angles de haute performance, permettant également des mesures par réflectivité et en incidence rasante. Pour des échelles plus grandes (micron), la caractérisation structurale des objets utilise des méthodes complémentaires de microscopie électronique, diffusion de lumière et d’imageries neutronique.

Le magnétisme est un domaine d’intérêt majeur, car combiné à l’électronique, il a modifié en profondeur notre vie quotidienne : sous forme de capteurs, d’actionneurs, de dispositifs nomades (téléphones, tablettes, ordinateurs portables), de matériaux aux capacités de stockage accrues pour l'enregistrement magnétique de toutes nos données informatiques., etc... A terme, calculs et ordinateurs quantiques révolutionneront peut-être encore nos sociétés.

Sur un plan plus fondamental, le magnétisme est un terrain de prédilection pour revisiter, voire aller au-delà des paradigmes de la physique de la matière condensée, la théorie de Landau des transitions de phase, et la théorie des liquides de Fermi. La théorie des transitions de phase est pourtant un concept d’une redoutable efficacité, d’une portée très générale en physique, créant des ponts avec la théorie des champs, la cosmologie, etc. Avec la notion de brisure spontanée de symétrie, la théorie des transitions de phase s’est avéré un outil puissant pour trier, classer et comprendre des modèles complexes. De la même manière, la théorie des liquides de Fermi est une théorie efficace permettant de traiter le rôle des interactions entre fermions. Ce modèle permet de décrire les propriétés de métaux quasiment comme celles d’un gaz d’électrons sans interaction, mais où les vrais électrons sont remplacés par des quasi-particules (électrons habillés par les corrélations). Toutefois, la physique d’aujourd’hui tente d’aller au-delà de ces concepts.

 

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