Les sujets de thèses

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 d'électricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures d'un ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font l'objet d'une 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.



L'objectif 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 produits. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives étudiées par ailleurs dans le cadre d'actions de collaboration. Deuxièmement, le projet vise à développer des dispositifs de capteurs solaires hybrides de niveau « preuve de concept », capables de co-générer de la chaleur et de l'électricité. Ce dernier fait partie d'un projet en cours, SolTE-Hybrid (financement PALM-Valorisation) qui a démarré en septembre 2020.



Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place d'un système d'acquisition de données automatisé et l'analyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de l'ingénierie (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 peuvent également être envisagées.

Donner une vision générale de la stabilité colloïdale de nanoparticules en milieu biologique reste difficile au regard de la complexité des milieux biologiques et de la diversité des nanoparticules en terme de distribution de taille, forme, nature de surface externe et nanostructuration. En particulier, le nombre d’études physico-chimiques sur des particules organiques "molles" obtenues par auto-assemblage de bioconjugués reste faible. Pour comprendre comment les caractéristiques physico-chimiques de nanoparticules "molles" orientent leurs interactions avec les protéines du sang, nous proposons en collaboration avec l’institut Galien d’étudier un cas concret où la nanostructuration et la charge de surface des nanoparticules donnent des résultats thérapeutiques différents (activité analgésique). L’objectif est d’étudier en détails comment des nanoparticules formées par auto-assemblages de bioconjugués interagissent avec un milieu biologique modèle, en prenant en compte aussi bien les principaux composants (albumine, hémoglobine et lipoprotéines) que le flux hydrodynamique inhérent à la circulation sanguine.

Pour lutter contre les maladies infectieuses, la conception de matériaux et de surfaces antimicrobiens prend de l'ampleur. Outre la pandémie actuelle de COVID-19 et ses conséquences directes sur d'autres maladies infectieuses, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) s'inquiète d'une autre catastrophe sanitaire majeure qui pourrait survenir en raison des difficultés à lutter contre les infections dues aux bactéries multirésistantes (MDR). et champignons. Dans ce contexte, des matériaux et des surfaces antimicrobiens efficaces pourraient jouer un rôle clé pour empêcher la propagation de ces agents pathogènes.



L’objectif de ce projet de thèse est de développer des surfaces antibactériennes à base de polymères de type polyionènes piégeant les agents pathogènes. Ces surfaces greffées développées à IRAMIS (3 brevets) ont fait l’objet d’études approfondies physico-chimiques et biologiques, qui ont montré leur efficacité à la fois comme piège à bactéries (effet pro-adhésif) et antibactérien. L’effet "piège à bactéries" pourrait être exploité avantageusement pour nettoyer des surfaces contaminées ou pour sonder des endroits difficiles d’accès. Ce projet regroupera les compétences en chimie d’ IRAMIS (DRF) et en microbiologie/analyses de JOLIOT (DRF) pour identifier les meilleures formulations de polymères et greffages, et documenter les effets antibactériens sur des agents pathogènes (spores de Bacillus, formes végétatives de bactéries Gram + et Gram -).

Le projet est expérimental et s’intéresse à l'étude de nouvelles familles de polyélectrolytes (PE) en déterminant leurs diagrammes de phases en fonction des variations de température, de sel ajouté ou de pH. Cela se fera par voie optique (microscopie, diffusion) au CEA Saclay. Une fois les diagrammes établis, la séparation de phase (PS) des solutions de PE sera étudiée par microscopie confocale à fluorescence pour déterminer les lois de croissance et le comportement d'échelle des séparations. La séparation de phases est un processus dynamique qui sera initié par une trempe en température ou en concentration, suivie par l'acquisition de séries temporelles d'images ou de fonctions de corrélation. Elle mènera à la formation de structures spatiales qui seront utilisées pour aboutir à une géométrie poreuse interconnectée. Les résultats seront traduits en lignes directrices pour les procédures de fabrication de membranes qui seront appliquées à Montpellier (Institut Européen des Membranes) afin de fabriquer des membranes poreuses en polyimide de haute tenue mécanique et thermique. Un autre aspect du projet sera de formaliser ces résultats de manière théorique en définissant un modèle 1/ capable de rendre compte des diagrammes obtenus, 2/ permettant de compléter des modèles existant de champ de phase pour la séparation de phases de polymères neutres afin de décrire la séparation de PE.