Les sujets de thèses

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).

Lune des architectures les plus prometteuses pour le traitement de linformation quantique à grande échelle est celle qui repose sur des qubits électrodynamiques (bosoniques) supraconducteurs. Ils reposent sur un dispositif élémentaire : la jonction tunnel Josephson, une barrière tunnel entre deux fils supraconducteurs qui présentent un comportement non linéaire et non dissipatif. Les jonctions tunnel Josephson ne sont quun exemple de liens faibles supraconducteurs, parmi lesquels on trouve également des contacts atomiques et des liens faibles de nanofils semi-conducteurs. Dans ces autres exemples, des états fermioniques localisés, connus sous le nom de niveaux dAndreev, peuvent être étudiés. Nous avons récemment réalisé leur spectroscopie [1-4] et leur manipulation quantique [5,6].

Nous proposons ici de concevoir, fabriquer et mesurer de nouveaux qubits hybrides qui combinent les degrés de liberté bosonique et fermionique dans le but de réaliser des états quantiques plus robustes.

Nous recherchons un(e) étudiant(e) fortement motivé(e) ayant une bonne compréhension de la physique quantique. Il/elle sera intégré(e) dans un groupe de recherche actif sur lélectronique quantique et se familiarisera avec les concepts avancés de la mécanique quantique et de la supraconductivité. Il/elle apprendra également plusieurs techniques expérimentales : basses températures, mesures à faible bruit et micro-ondes, et nanofabrication.


[1] L. Bretheau, Ç. Ö. Girit , H. Pothier , D. Esteve , and C. Urbina, “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact” Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091
[2] L. Tosi, C. Metzger, M. F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier, Sunghun Park, A. Levy Yeyati, J. Nygård, P. Krogstrup, “Spin-Orbit Splitting of Andreev States Revealed by Microwave Spectroscopy”, Phys. Rev. X 9, 011010 (2019).
[3] C. Metzger, Sunghun Park, L. Tosi, C. Janvier, A. A. Reynoso, M. F. Goffman, C. Urbina, A. Levy Yeyati, H. Pothier, “Circuit-QED with phase-biased Josephson weak links”, Phys. Rev. Research 3, 013036 (2021).
[4] F. J. Matute Cañadas, C. Metzger, Sunghun Park, L. Tosi, P. Krogstrup, J. Nygård, M. F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier, A. Levy Yeyati, “Signatures of interactions in the Andreev spectrum of nanowire Josephson junctions”, arXiv:2112.05625
[5] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts” Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961
[6] C. Meztger, “Spin charge effects in Andreev Bound States”, PhD thesis (2022)

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, ladsorption des biomolécules est le premier processus qui se produit après lintroduction de biomatériaux dans le corps humain ce qui contrôle leur réponse biologique. Dans le cadre de cette thèse, nous entreprendrons la simulation de linterface 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).

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 diridium, 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.

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).

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 leau 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.

Parmi les semi-conducteurs à léchelle nanométrique, les nanodiamants (ND) nont pas encore été réellement pris en compte pour les réactions photoélectrocatalytiques dans le domaine de lénergie. Cela sexplique 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 léchelle nanométrique, les ND contiennent des défauts natifs (carbone sp2, impuretés chimiques telles que lazote) qui peuvent créer des états énergétiques dans la bande interdite du diamant, ce qui réduit lénergie 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 dautres semi-conducteurs pour des photoréactions. Lobjectif de ce doctorat est détudier 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 dun co-catalyseur moléculaire macrocyclique à base de métaux de transition.

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.

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 lhydroxyde 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 dhydratation 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.

La science attoseconde s’intéresse aux dynamiques de la matière aux temps ultimes, grâce à des impulsions de lumière de durée attoseconde (10-18 s). Notre laboratoire a été un pionnier dans le développement et l’utilisation de ces impulsions pour l’étude de la matière. En particulier, nous opérons plusieurs plateformes dédiées à la spectroscopie attoseconde des solides.

Pendant ce projet de doctorat, nous développerons de nouvelles expériences attosecondes visant à élucider la dynamique dun des degrés de liberté les plus importants et les plus intrigants des solides : les spins de leurs électrons. Cette quantité est responsable des propriétés magnétiques des matériaux, avec des applications allant des dispositifs de stockage de données aux composants spintroniques. En général, les dispositifs actuels utilisent des courants électriques pour transmettre et manipuler linformation.
Ici, nous visons à répondre à une question simple en apparence : pouvons-nous utiliser un champ laser, au lieu dun courant, pour contrôler les spins électroniques dun solide ’ Répondre à cette question nécessite tout dabord des investigations intrinsèquement fondamentales, en plus d’avoir le potentiel concret dopérations beaucoup plus rapides. En effet, la réponse des matériaux magnétiques aux fréquences optiques (à des temps inférieurs à 10 fs) est presque totalement inconnue à ce jour. Nous proposons de résoudre ce problème en effectuant des expériences qui combinent sensibilité aux spins et résolution attoseconde pour la première fois. En façonnant soigneusement des impulsions attosecondes et en utilisant des schémas de détection de pointe, nous viserons à établir une technique appelée dichroïsme magnétique attoseconde, qui révélera la réponse des spins des matériaux à léchelle temporelle du champ électrique de la lumière. Nous nous concentrerons dabord sur des systèmes ferromagnétiques et antiferromagnétiques tridimensionnels simples, avant de nous tourner vers leurs homologues bidimensionnels. En effet, dans les matériaux dits 2D, on peut s’attendre à des interactions lumière-spin magnifiées, voir fondamentalement nouvelles. En comprenant comment la lumière interagit avec les spins électroniques en 2D, nous fournirons des éléments essentiels à l’intégration des futurs composants spintroniques de basse dimensionnalité.

Létudiant acquerra des connaissances pratiques en optique ultra-rapide expérimentale et en spectroscopie résolue dans le temps de la matière condensée, en particulier des matériaux magnétiques. Il/elle deviendra un expert en physique et technologie attoseconde, tout en acquérant des compétences précieuses en acquisition et analyse de données complexes.

L’objectif du projet de thèse est d’analyser les processus physico-chimiques consécutifs aux débits de dose extrêmes que l’on peut obtenir maintenant dans l’eau avec les impulsions ultra-brèves (fs) d’électrons relativistes accélérés par laser. En effet, des premières mesures montrent que ces processus ne sont probablement pas équivalents à ceux obtenus avec des impulsions plus longues (µs) dans l’effet FLASH utilisé en radiothérapie. Pour y arriver, nous proposons d’analyser la dynamique de formation/recombinaison de l’électron hydraté, espèce emblématique de la radiolyse de l’eau pour qualifier et quantifier l’effet de débit de dose sur des temps de plus en plus courts. Ceci pourra se faire en trois étapes en accompagnement de la progression technologique nécessaire et maintenant accessible, pour avoir une dose par impulsion suffisante pour détecter directement l’électron hydraté. D’abord, avec l’installation existante UHI100 en utilisant la capture de l’électron hydraté en produisant une espèce stable ; puis en produisant une espèce moins stable mais détectable en temps réel et en augmentant le taux de répétition de l’accélérateur laser-plasma. Finalement, en testant un nouveau concept appelé « cible hybride », basé sur l’utilisation d’un miroir plasma comme injecteur d’électrons couplé à un accélérateur laser-plasma. Délivrant des doses plus importantes que les accélérateurs laser-plasma, avec un spectre énergétique resserré, on pourra développer une détection pompe-sonde permettant d’accéder aux temps les plus courts, et à la formation dans les grappes d’ionisation, de l’électron hydraté et en mesurant son rendement initial.

Les dernières décennies de recherches dans le domaine de la matière condensée ont vu lémergence dune physique riche et nouvelle, fondée sur la notion de liquides de spin. Lintérêt pour ces nouveaux états de la matière provient du fait qu’ils présentent une intrication quantique à grande échelle, une propriété par ailleurs fondamentale pour le calcul quantique. De par sa nature qui exploite directement cette notion d’intrication, un ordinateur quantique permettrait des approches révolutionnaires par rapport aux ordinateurs classiques, pour résoudre rapidement certaines classes de problèmes.

L’étude des liquides de spin rejoint donc de très forts enjeux technologiques et le but de ce projet de thèse est de participer à cet effort de recherche fondamentale.

Devant les enjeux liés au réchauffement climatique, certaines voies sont au cœur d’études en recherche fondamentale pour optimiser notamment les propriétés de matériaux pour la captation de gaz (CO2 par ex.), la filtration, le dessalement ou la conversion de l’eau en H2 par photocatalyse. Des matériaux bidimensionnels (graphène, MoS2, hBN, etc) nanostructurés par irradiation aux ions ont récemment montré des propriétés uniques et originales permettant d’améliorer l’efficacité de ces processus. Lintroduction de modifications à la surface de ces matériaux peut être utilisée pour adapter leurs propriétés à des exigences spécifiques. Les irradiations par les ions lourds rapides comme ceux produits sur laccélérateur GANIL ou par les ions de basse énergie produits sur le dispositif PELIICAEN du CIMAP, induisent des modifications de surface à léchelle nanométrique.

Nous proposons au travers de ce sujet de thèse daccéder à une meilleure compréhension des processus impliqués dans la structuration par faisceaux d’ions et la modification des propriétés de matériaux 2D en fonction de linfluence des différents paramètres dirradiation sur les modifications radio-induites locales.

Résumé :
L’étudiant-e développera des techniques de spectroscopie attoseconde utilisant de nouvelles sources laser Ytterbium de haute cadence. Les dynamiques ultrarapides de photoémission seront étudiées pour observer en temps réel les processus de diffusion/réarrangement électronique ainsi que l’intrication quantique électron-ion, en mettant à profit les techniques de coïncidence de particules chargées.

Sujet détaillé :
Ces dernières années, la génération et les applications des impulsions attoseconde (1 as=10-18 s) ont connu des progrès spectaculaires, récompensés par le Prix Nobel 2023 [1]. Ces impulsions ultrabrèves sont générées lors de la forte interaction non linéaire d’impulsions laser infrarouges brèves et intenses avec un jet de gaz [2]. Une nouvelle technologie laser à base d’Ytterbium est en train d’émerger, avec une stabilité 5 fois supérieure et une cadence 10 fois supérieure à celles de la technologie actuelle Titane:Saphir. Ces nouvelles capacités représentent une révolution pour le domaine.
Ceci ouvre de nouvelles perspectives d’exploration de la matière à l’échelle de temps intrinsèque des électrons. La spectroscopie attoseconde permet ainsi d’étudier en temps réel le processus quantique de photoémission en phase gaz, de filmer en 3D l’éjection des paquets d’onde électronique [3,4], d’étudier les réarrangements électroniques du système ionisé et les effets de décohérence quantique dus à l’intrication électron-ion [5].
Le premier objectif de la thèse est de mettre en œuvre sur la plateforme laser ATTOLab les spectroscopies attoseconde utilisant les nouvelles sources laser Ytterbium. Le second objectif est de mettre à profit les techniques de coïncidence de particules chargées, permises par la haute cadence, pour étudier avec une précision inédite les dynamiques de photoémission et d’intrication quantique.
L’étudiant-e sera formé-e en optique ultrarapide, physique atomique et moléculaire, optique quantique, et acquerra une bonne maitrise des spectroscopies XUV et de particules chargées.

Références :
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/summary/
[2] Y. Mairesse, et al., Science 302, 1540 (2003)
[3] V. Gruson, et al., Science 354, 734 (2016)
[4] A. Autuori, et al., Science Advances 8, eabl7594 (2022)
[5] C. Bourassin-Bouchet, et al., Phys. Rev. X 10, 031048 (2020)

Le sujet central de la thèse est une forme de matière récemment proposée, appelée altermagnétisme. Comme les antiferromagnétiques simples, il s'agit de matériaux magnétiques qui présentent un ordre magnétique à longue portée sans moment net. Dans les antiferromagnétiques simples, les bandes électroniques de spin up et down sont dégénérées. Mais dans les altermagnétiques, elles ne le sont pas. Une façon de considérer ces matériaux est de dire qu'ils sont non magnétiques dans l'espace réel mais magnétiques dans l'espace des quantités de mouvement, combinant ainsi les caractéristiques des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques. Ces matériaux ont suscité un grand intérêt dans la communauté de la spintronique. Celle-ci s'intéresse depuis longtemps aux antiferroaimants car ils sont insensibles aux champs parasites et peuvent permettre une commutation plus rapide que les ferroaimants classiques. Les altermagnétiques ont le potentiel de réaliser les rêves de la spintronique antiferromagnétique. Parallèlement, les altermagnétiques présentent un intérêt fondamental en physique de la matière condensée. Il s'avère que l'altermagnétisme est fondé sur un type particulier de brisure de symétrie décrit par la théorie des groupes de spin.

L'objectif de ce projet de thèse est d'étendre notre compréhension des groupes de spin en matière condensée, en particulier dans la direction de l'altermagnétisme et des matériaux topologiques.

Les exigences combinées liées à laugmentation de la production dénergie 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 dénergie propre. Une solution intéressante consiste à utiliser lénergie solaire pour produire des carburants. Ainsi, les matériaux bon marché tels que les semi-conducteurs ont fait lobjet 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). Limogolite, une argile naturelle sous la forme dun nanotubes creux, appartient à cette catégorie. Bien quelle 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 delle 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 dajuster la bande interdite. Pour linstant, la preuve de concept (cest-à-dire le nanoréacteur pour des réactions photocatalytiques) na été obtenue que pour la forme nanotube.

Lobjectif de cette thèse est ainsi détudier 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.

Le but de cette thèse est de réaliser la première mesure expérimentale de l’énergie dissipée dans les couches limites en convection turbulente dans la configuration de Rayleigh-Bénard. En effet, des théories affirment que cette quantité contrôle le flux de chaleur transporté de la paroi chaude vers la paroi froide alors même que l’efficacité du transport turbulent en convection fait l’objet de débats. Les propriétés du transport turbulent sont pourtant essentielles à comprendre pour décrire la dynamique du climat et de nombreux objets astrophysiques.

Pour estimer l’énergie dissipée, il faut pouvoir mesurer la norme du gradient des vitesses. Cette quantité est difficilement accessible avec les techniques d’anémométries classique qui mesurent les champs de vitesse avec une résolution limitée. Ces gradients sont également couteux à obtenir numériquement sur des temps longs. Mais nous avons mis au point une technique de mesure directe de la norme des gradients de vitesse grâce à la Spectroscopie par diffusion multiple. Elle nous permettra de mesurer les structures dissipatives et le taux énergie dissipée dans les couches limites

Les matériaux thermoélectriques (TE) capables de convertir la chaleur en électricité sont considérés comme une solution possible pour récupérer la chaleur fatale provenant du flux de déchets industriels, de moteurs, d’appareils électroniques ménagers ou de la chaleur corporelle. Depuis plusieurs années, au sein du laboratoire SPHYNX nous explorons les effets thermoélectriques dans les nanofluides ioniques, où des nanoparticules chargées électriquement servent à la fois de porteurs de chaleur et délectricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures dun ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font lobjet dune attention particulière en tant que futurs matériaux TE peu coûteux et écologiques. Alors que les origines précises des phénomènes thermoélectriques dans ces fluides sont encore débattues, nos résultats expérimentaux indiquent que les natures physico-chimiques d’interface particule-liquide y jouent un rôle décisif.

Lobjectif du projet de doctorat est double :
- Premièrement, nous étudierons les mécanismes thermodynamiques sous-jacents à la production du potentiel thermoélectrique dans les nanofluides par mesures systématiques du coefficient Seebeck et le courant électrique produit. Il sagit de la production de lentropie de transfert dEastman de nanoparticules sous les gradients de concentration, de température et de potentiel électrique. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives et absorptions optiques étudiées par ailleurs dans le cadre dactions de collaboration.
- Deuxièmement, le projet vise à utiliser les fluides plus prometteurs dans les capteurs hybrides solaires-thermoélectriques prototypes développés actuellement et de les optimiser pour démontrer leur capacité à cogénérer chaleur et électricité.

Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place dun système dacquisition de données automatisé et lanalyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de lingénierie (des dispositifs), ainsi que des connaissances pratiques sur la manipulation des dispositifs de laboratoire sont souhaitées. Des connaissances de base en optique et en électrochimie sont un plus mais pas obligatoires. Pour les étudiants motivés, des simulations numériques utilisant des logiciels CFD commerciaux aussi bien que les mesures dabsorption optique au laboratoire partenaire (LNO/CNR, Florence, Italie) peuvent également être envisagées.

Les matériaux à l’état vitreux présentent un grand intérêt pratique et on les retrouve dans nombre d’applications : les verres de silice comme matériaux pour la construction ou les transports, les matières plastiques qui sont généralement au moins partiellement vitreuses ou les alliages métalliques vitreux pour des applications de pointe. Or les propriétés physiques de ces matériaux (par exemple la solidité d’un écran de téléphone) dépendent du traitement thermique qu’ils ont reçu au cours de leur formation et plus particulièrement de la vitesse de refroidissement à partir de l’état liquide. Si les procédés industriels de fabrication des verres sont évidemment bien maîtrisés, la nature hors-équilibre thermodynamique de ces systèmes rend particulièrement difficile l’investigation théorique et numérique des mécanismes physiques à l’œuvre. Cela rend nécessaire une approche expérimentale visant à sonder ces mécanismes fondamentaux.

Cette thèse vise à étudier expérimentalement la réponse très hors équilibre de liquides polaires à l’aide d’un dispositif développé récemment au sein du laboratoire permettant d’appliquer à un liquide un changement très rapide de température et de suivre sa dynamique de rééquilibration. Des mesures de réponse linéaire devrait permettre d’en savoir plus sur les mécanismes physiques gouvernant l’équilibration tandis que des mesures non-linéaires renseigneraient sur la nature coopérative des réarrangements structuraux.

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.

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.

Les matériaux en terre crue, qui ont trouvé de multiples utilisations depuis des millénaires, offrent aujourdhui un potentiel considérable en matière dadaptation 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 léchelle 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 leau 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 : lanalyse de matériaux anciens par des méthodes de spectroscopie et de diffusion de rayonnement ainsi que la mise au point dun 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.

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 ladaptation 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.

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)

Lobjectif de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de réaliser lanalyse élémentaire in situ et en temps réel de nanoparticules lors de leur synthèse (par pyrolyse laser ou pyrolyse par flamme). La spectrométrie démission 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 dun tel projet et en particulier lacquisition dun spectre LIBS dune nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être développé et amélioré afin dobtenir 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), didentifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.

En parallèle, dautres informations pourront être recherchées (via dautres techniques optiques) comme la densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.

Linteraction d’un laser ultra-intense avec un jet de gaz peut être utilisée pour accélérer des paquets délectrons très courts jusquà des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs GeV) sur quelques centimètres seulement, avec une technique appelée “Laser WakeField Acceleration” (LWFA). La taille réduite de ces dispositifs et la durée très courte des paquets délectrons en font une source potentiellement intéressante pour plusieurs applications scientifiques et technologiques. Cependant, lLWFA ne fournit généralement pas assez de charge pour la plupart des applications envisagées, en particulier si une qualité de faisceau élevée et des énergies importantes sont également requises.

Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la physique de base dun nouveau schéma dinjection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas dinjection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. Des campagnes de simulation numérique à grande échelle et des techniques d’apprentissage automatique seront utilisées pour optimiser les propriétés des électrons accélérés. Enfin, l’interaction de ces faisceaux d’électrons avec des échantillons sera simulée à l’aide d’un code Monte Carlo afin dévaluer leur potentiel pour des applications telles que la Muon Tomography et la radiobiologie/radiothérapie. L’activité proposée est essentiellement numérique, mais avec la possibilité de participer aux activités expérimentales de l’équipe.

Le(a) doctorant(e) aura lopportunité de participer aux activités dune équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences dinteraction laser-plasma dans des installations denvergure internationale. Enfin, il/elle acquerra les compétences nécessaires pour participer au développement dun logiciel complexe écrit en C++ moderne et conçu pour utiliser efficacement les superordinateurs plus puissants au monde: le code Particle-In-Cell WarpX (prix Gordon Bell en 2022). L’activité de développement sera réalisée en collaboration avec l’équipe guidée par le Dr. J.-L. Vay à LBNL (US), où le/la doctorant(e) pourrait avoir l’opportunité de passer quelques mois au cours de la thèse.

Linteraction d’un laser ultra-intense avec un jet de gaz peut être utilisée pour accélérer des paquets délectrons très courts jusquà des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs GeV) sur quelques centimètres seulement, avec une technique appelée “Laser WakeField Acceleration” (LWFA). La taille réduite de ces dispositifs et la durée très courte des paquets délectrons en font une source potentiellement intéressante pour plusieurs applications scientifiques et technologiques. Cependant, l’LWFA ne fournit généralement pas assez de charge pour la plupart des applications envisagées, en particulier si une qualité de faisceau élevée et des énergies importantes sont également requises. L’objectif de cette thèse est d’implémenter dans plusieurs laboratoires lasers à la pointe (en France et à linternational) un nouveau schéma dinjection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas dinjection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. Lactivité proposée est majoritairement expérimentale, mais avec la possibilité de participer aux activités de simulation numérique à grande échelle qui sont nécessaires pour réaliser le design d’une expérience et en interpréter les résultats. Le(a) doctorant(e) aura lopportunité de participer aux activités dune équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences dinteraction laser-plasma dans des installations denvergure internationale. Enfin, il/elle aura la possibilité de participer à l’activité de modélisation numérique du groupe, réalisée sur les superordinateurs plus puissants au monde avec un code Particle-In-Cell open source à la pointe (WarpX, prix Gordon Bell en 2022).

Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés nouveaux et en plein essor présentant une large gamme de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production dénergie décarbonnée ainsi que pour des capteurs multifonctionnels. Dans ce domaine de recherche, la recherche de nouveaux matériaux est particulièrement souhaitable en raison des propriétés peu satisfaisantes des matériaux actuels. Linsertion dazote dans le réseau cristallin dun oxyde semiconducteur permet en principe de moduler sa structure électronique et ses propriétés de transport pour obtenir de nouvelles fonctionnalités. La production de films minces monocristallins correspondants, est un défi important. Dans ce travail de thèse, des films d’oxynitrures monocristallins seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. L’hétérostructure multiferroïque combinera deux couches enrichies en azote : une couche ferroélectrique de BaTiO3 dopée N ainsi quune ferrite fortement dopée ferrimagnétique dont les propriétés magnétiques pourront être modulées grâce au dopage N pour obtenir de nouveaux matériaux multiferroique artificiels plus satisfaisants pour les applications. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques et magnétiques ainsi que leurs couplages magnétoélectriques en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.

Le (la) candidate abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures ferroélectriques et de magnétométrie, ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

Le développement scientifique et technologique de la gamme Terahertz (THz), un domaine du spectre électromagnétique situé à l’interface entre les micro-ondes et la photonique infrarouge, est plus que jamais d’actualité et l’objet d’intenses recherches récemment. Nous avons récemment développé des cavités TeraHertz fonctionnant à partir d’un mécanisme plasmonique basé sur les plasmons de surface d’un semiconducteur dopé. Nous avons démontré la propriété remarquable de ces résonateurs de pouvoir confiner les photons TeraHertz dans des volumes records de l’ordre de 10-7 fois plus petit que la limite de diffraction. Ce méchanisme plasmonique permet par ailleurs la fonctionnalisation et l’accordabilité des cavités grâce à des paramètres extérieurs comme le champ electrique, magnétique ou la température, entre autres. Le but de cette thèse sera de développer des cavités plasmoniques THz et d’étudier en particulier leur comportement nonlinéaire lorsque soumises à des impulsions THz intenses. On cherchera notamment à réaliser de la conversion de fréquences TeraHertz grace à la nonlinéarité des cavités plasmoniques étudiées.

Les états à dénominateur pair de leffet Hall quantique fractionnaire (par exemple ’’=5/2) devraient héberger des excitations qui ont des statistiques anyoniques non abéliennes, ce qui en fait des candidats prometteurs pour la réalisation dun processeur quantique topologique [1]. Bien que la démonstration de ces statistiques non abéliennes ait longtemps été une entreprise extrêmement difficile, des expériences récentes dans des hétérostructures semi-conductrices GaAs ont montré que la conductance thermique de bord de létat ’’=’’/’’ est quantifiée dans des valeurs demi-entières du quantum de conductance thermique [2,3]. Cette quantification en demi-entier est connue pour être une signature universelle des statistiques non-abéliennes, y compris des fermions de Majorana [4]. Cependant, de nombreux candidats présumés pour létat fondamental de ’’=5/2 ont des structures de bord complexes présentant des modes neutres contre-propagateurs, qui peuvent modifier la conductance thermique de bord et leur donner des valeurs non entières similaires à celles dun bord non abélien. Une expérience très récente [3] a contourné le problème en trouvant un moyen de séparer les contributions des différents canaux au bord, confirmant lexistence dun canal non abélien avec une conductance électrique et thermique quantifiée demi-entière. La prochaine question évidente est de savoir si ce résultat est vraiment universel : est-il valable pour différents matériaux et différents états de dénominateur pair ’

Dans ce projet, nous proposons de répondre à ces questions en effectuant des mesures de transport de chaleur dans des états de Hall quantiques fractionnaires dans le graphène bicouche. Il a récemment été démontré que le graphène bicouche empilé par Bernal hébergeait une grande variété détats de Hall quantiques fractionnaires robustes à dénominateur pair [5-8], à la fois semblables à des trous et à des électrons. Il sagit dun excellent banc dessai pour létude de la conductance thermique, car ces fractions devraient être décrites par différents états fondamentaux (éventuellement non abéliens) ; en outre, la possibilité dappliquer des champs de déplacement électrique permet un degré de contrôle supplémentaire sur les états à dénominateur pair, qui peuvent être étudiés par transport de chaleur.

Ce projet expérimental est basé sur le transport thermique à très basses températures et à champs magnétiques élevés [9], basé sur des mesures électriques très sensibles. Nous recherchons des candidats très motivés et intéressés par tous les aspects du projet, tant expérimentaux (fabrication déchantillons, mesures à faible bruit, cryogénie) que théoriques.

[1] Nayak, et al., RMP 80, 1083 (2008) [2] Banerjee, et al., Nature 559, 205 (2018)
[3] Dutta, et al., Science 377, 1198 (2022) [4] Kasahara, et al., Nature 559, 227 (2018)
[5] Ki, et al., Nano Letters 14, 2135 (2014) [6] Li, et al., Science 358, 648 (2017)
[7] Zibrov, et al., Nature 549, 360 (2017) [8] Huang, et al., PRX 12, 031019 (2022)
[9] Le Breton, …, Parmentier, PRL 129, 116803 (2022)

Des études récentes avec des faisceaux délectrons et de protons ont montré que l’irradiation à des débits de dose supérieurs à 40 Gy/s peut être aussi efficace pour inhiber la croissance tumorale que lirradiation à la dose conventionnelle actuellement utilisée (typiquement 1 Gy/min) mais beaucoup moins toxique pour les tissus sains. Ce phénomène est connu sous le nom « deffet FLASH ». Cet effet est considéré comme lune des découvertes les plus importantes de lhistoire récente de la radiobiologie en raison de son potentiel damélioration de la fenêtre thérapeutique entre le contrôle tumoral et la toxicité tissulaire normale. Des études récentes montrent que les mécanismes biologiques de l’effet FLASH sont liés à l’oxygénation différentielle des tissus. Cependant, les mécanismes exacts des effets biologiques cellulaires des irradiations FLASH ne sont pas complètement clairs et certains sont même contradictoires.

L’objectif de ce projet est une caractérisation moléculaire de l’effet FLASH sur un système modèle parfaitement maîtrisé in vitro. Les irradiations FLASH de cellules cancéreuses et de cellules saines seront comparées à des irradiations à débit de dose conventionnel en utilisant des électrons et des ions carbones dans les deux laboratoires associés. L’effet différentiel sera rapporté au condition d’oxygénation des cellules, au métabolisme REDOX / mitochondrial et aux modifications générales du métabolisme cellulaire.

Notre capacité à fabriquer des nanoparticules (NP) doxyde 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 dénergie. 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 lévaporation rapide dune 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, lobjectif 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.

La résonance magnétique nucléaire à létat solide (ssNMR) in situ est un outil de caractérisation précieux pour comprendre les réactions électrochimiques lors du fonctionnement dune batterie. Cependant, les larges signaux obtenus en condition statique empêchent souvent dexploiter totalement le potentiel de la caractérisation par RMN. Des expériences ssNMR ex situ, utilisant la rotation déchantillon 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 dartefacts 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 sattaquera à cette limitation en développant une cellule électrochimique RMN in situ permettant lacquisition de données ssNMR à haute résolution avec la technique MAS, et permettant également une nouvelle méthode de spectroscopie ssNMR résolue dans lespace. La combinaison de mesures in situ, de la technique MAS et de la spectroscopie localisée permettra de disposer dun 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.

Le problème de santé publique majeure quest 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 déchange liquide-solide ou gaz/solide. Ils sont largement utilisés dans lindustrie 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 déchantillon 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.