CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Apport de l’analyse d’image a l’étude du comportement en corrosion sous contrainte de verre simple
Contribution of image analysis to the study of stress corrosion behavior of glass

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/03/2023

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

Chomat Laure
+33 1 69 08 79 32

Résumé/Summary
L’objectif de ce stage est d’optimiser et de qualifier une méthodologie basée sur la sur la corrélation d’image (DIC : Digital Image Correlation), récemment initiée au laboratoire, pour l'étude du comportement en corrosion sous contrainte de verres simples. Le stagiaire aura plus particulièrement en charge les différentes étapes de l'acquisition de données de corrosion sous contraintes sur différents verres, de la silice pure à des verres ternaires (SiO2-B2O3-Na2O), avec la réalisation d'un mouchetis en surface des échantillons en salle blanche, la mise en œuvre des essais mécaniques sur un dispositif dédié et l’analyse des images obtenues.
The objective of this internship is to optimize and qualify a methodology based on Digital Image Correlation (DIC), recently initiated in the laboratory, for the study of the stress corrosion behavior of simple glasses. The trainee will be in charge of the different steps of the acquisition of stress corrosion data on different glasses, from pure silica to ternary glasses (SiO2-B2O3-Na2O), with the realization of a speckle on the surface of the samples in a clean room, the implementation of mechanical tests on a dedicated device and the analysis of the obtained images.
Sujet détaillé/Full description
Le verre est un matériau largement utilisé du fait de ces nombreux avantages : transparence, dureté, faible dilatation thermique, température du point de fusion élevée, relative inertie chimique, etc... Il présente néanmoins une faiblesse majeure : sa fragilité. Des sollicitations relativement modérées peuvent amener sa rupture brutale, sans signe avant-coureur. Il est également sensible au phénomène de corrosion sous contrainte : sous l’influence de certaines conditions environnementales (humidité relative, température, etc…), des sollicitations apparemment anodines (bien plus faibles que celles amenant sa rupture brutale) peuvent conduire à la propagation de fissures à faible vitesse comme observée lors de la fissuration lente des pare-brises de voiture.

Récemment, une méthodologie basée sur la corrélation d’image (DIC : Digital Image Correlation, voir par exemple https://fr.wikipedia.org/wiki/Corr%C3%A9lation_d%27images) a été développée pour acquérir les différentes grandeurs (facteur d’intensité de contraintes, position précise de la pointe de fissure,…) nécessaires à l’identification de la loi de fissuration. Elle consiste à déposer un mouchetis (ou motif de "tâches" dispersées de manière aléatoire) sur la surface d’un échantillon et à étudier par analyse d’image le déplacement de ces "tâches" lorsque l’échantillon est sollicité mécaniquement. Cette méthode a été mise au point sur des matériaux relativement mous (type acryliques) et le passage à un matériau rigide comme le verre n’est pas aisé. Il nécessite de changer d’échelle de mesure (mouchetis de plus petites dimensions) ce qui a été tenté au SPHYNX via la mise en œuvre de technique de dépôt et de gravure en salle blanche (dimension caractéristique des "tâches" de l’ordre du micron).

L’objectif de ce stage est d’optimiser et de qualifier la méthodologie basée sur la DIC récemment initiée au SPHYNX. Dans ce cadre, le stagiaire devra acquérir des données de corrosion sous contraintes sur différents verres, de la silice pure à des verres ternaires (SiO2-B2O3-Na2O). Il aura en charge les différentes étapes permettant cette acquisition : de la réalisation en salle blanche du mouchetis à la surface des échantillons, à la mise en œuvre des essais mécaniques sur un dispositif dédié et l’analyse des images obtenues. Les résultats acquis avec cette méthodologie seront comparés aux résultats déjà obtenus au laboratoire et/ou disponibles dans la littérature et discutés.
Glass is a widely used material because of its many advantages: transparency, hardness, low thermal expansion, high melting point temperature, relative chemical inertia, etc. However, it has one major weakness: its fragility. Relatively moderate stresses can cause it to break suddenly, without any warning. Glass is also sensitive to the phenomenon of stress corrosion cracking : under the influence of certain environmental conditions (relative humidity, temperature, etc.). In this case, apparently harmless stresses (much lower than those leading to its sudden breakage) can lead to crack propagation at low rate, as observed in the slow cracking of car windscreens.

Recently, a methodology based on image correlation (DIC : Digital Image Correlation, see as example https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_image_correlation_and_tracking) has been developed to acquire various quantities necessary (stress intensity factor, precise position of the crack tip, etc.) to identify the laws of fracture. It consists of speckling (i.e. depositing a pattern of randomly dispersed "spots") on the surface of a sample and studying by image analysis the displacement of these "spots" when the sample is mechanically stressed. This method has been developed for relatively soft materials (acrylics) and the transition to hard material such as glass is not easy. A change of scale is necessary (pattern with smaller “spots”). Techniques (deposition, etching, image acquisition…) have be tested by SPHYNX members and are fruitful.

The objective of this internship is to optimize and qualify the methodology based on DIC and recently developed in SPHYNX. In this context, the candidate will acquire stress corrosion cracking data for different glass composition: from pure silica to ternary glass (SiO2-B2O3-Na2O). He/She will be in charge of the different steps: speckling preparation in the SPEC clean room, implementation of mechanical tests on a dedicated experimental set-up and image analysis. The results will be compared to the ones already obtained in the laboratory or/and the published ones.
Mots clés/Keywords
Mécanique
Compétences/Skills
Manipulation en salle blanche (dépôt et gravure) Banc d'essai de corrosion sous contrainte Analyse d'image (DIC)
Logiciels
Python
Comportement en corrosion sous contrainte de verre mésostructure par un processus de démixtion
Stress corrosion behavior of mesostructured glass by phase separation

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/03/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Rountree Cindy
+33 1 69 08 26 55

Résumé/Summary
L’objectif de ce stage est l'étude de la corrosion sous contrainte de verres démixés, afin d'en maitriser la rupture. Plusieurs compositions de verres présentant une telle séparation de phase seront étudiées. La vitesse de fissuration et sa variation avec la contrainte appliquée seront mesurées pour chaque échantillon afin d’obtenir les courbes caractéristiques de résistance à la corrosion sous contraintes. Par ailleurs, une caractérisation post-mortem de la surface de rupture des échantillons sera menée par microscopie à champ proche (AFM, …) et analysée avec différents outils statistiques (modélisation stochastique, analyse fractale).
The objective of this internship is to examine stress corrosion cracking in several different demixed glassy ceramics. Several glass compositions with such a phase separation will be studied. The rate of crack propagation and its variation with applied stress will be measured for each sample to obtain the characteristic stress corrosion resistance curves. Additionally, a post-mortem characterization of the fracture surface of the samples will be carried out by near-field microscopy (AFM, ...) and analyzed with different statistical tools (stochastic modeling, fractal analysis).
Sujet détaillé/Full description
Le verre est un matériau largement utilisé du fait de ses nombreux avantages : transparence, dureté, faible dilatation thermique, température du point de fusion élevée, relative inertie chimique, etc... Il présente néanmoins une faiblesse majeure : sa fragilité. Des sollicitations relativement modérées peuvent amener sa rupture brutale, sans précurseur annonciateur. Le verre est également sensible au phénomène de corrosion sous contrainte : sous l’influence de certaines conditions environnementales (humidité relative, température, etc…), des sollicitations apparemment anodines (bien plus faibles que celles amenant sa rupture brutale) peuvent conduire à la propagation de fissures à faible vitesse comme observée lors de la fissuration lente des parebrises de voiture. Cette corrosion sous contrainte, dépend aussi de paramètres intrinsèques du verre : composition chimique, microstructure, etc...

Le phénomène de séparation de phase dans les verres conduit à une méso-structuration du matériau pouvant améliorer les propriétés mécaniques telles que la résistance à l’écrasement . Il est également à l’origine des vitrocéramiques, constitués de microcristaux dispersés dans une matrice vitreuse, développées en vue de tirer parti des avantages des deux constituants : céramique et verre. Leur emploi est actuellement répandu, par exemple pour des applications de thermométrie optique, des ustensiles de cuisine, des matériaux dentaires, etc… Cependant, le comportement en corrosion sous contrainte de ce type de matériau reste encore peu étudié.

L’objectif de ce stage est d’acquérir des données de corrosion sous contraintes en utilisant un dispositif dédié, afin d’améliorer la compréhension du comportement à la rupture de verres démixés. Dans ce cadre, plusieurs compositions de verres présentant une séparation de phase seront étudiées, et dans la mesure du possible, en association avec leur pendant non-démixé (même composition chimique mais recuit thermique différent). La vitesse de fissuration et sa variation avec la contrainte appliquée seront mesurés pour chaque échantillon afin d’obtenir les courbes caractéristiques de résistance à la corrosion sous contraintes. Par ailleurs, une caractérisation post-mortem de la surface de rupture des échantillons pourra être menée via de la microscopie à champ proche (AFM, …) et analysée avec différents outils statistiques (modélisation stochastique, analyse fractale).
Glass is a widely used material due to its many advantagious properties: transparency, hardness, low thermal expansion, high melting point temperature, relative chemical inertia, etc. However, it has one major weakness: its fragility. Relatively moderate stresses can cause it to break suddenly and without any warning. Glass is also sensitive to stress corrosion cracking: sub-crtical cracking aided by environmental conditions (relative humidity, temperature, etc.). In this case, apparently harmless stresses (much lower than those leading to its sudden breakage) can lead to crack propagation at low rates, as observed in the slow cracking of car windscreens. This stress corrosion cracking (SCC) also depends on the intrinsic parameters of the glass: chemical composition, microstructure, etc.

The phenomenon of phase separation in glasses leads to a meso-structured material which can improve mechanical properties such as crush resistance1. It is also at the origin of glass-ceramics, consisting of microcrystals dispersed in a glass matrix, developed to take advantage of the benefits of both components: ceramics and glasses. They are used, for example in optical thermometry applications, kitchen utensils, dental materials, etc. However, the stress corrosion behaviour of this type of material is still poorly understood.

The objective of this internship is to examine stress corrosion cracking in several different glassy ceramics. Samples will concern as fabricated samples and their phased separated counterparts which will be achieved by varying annealing protocols. The candidate will make use of an existing SCC experimental set-up (Figure 1 top). The rate of crack propagation and its variation with applied stress will be measured for each sample to obtain the characteristic stress corrosion resistance curves. Additionally, the candidate will have the opportunity to use a state-of-the-art Atomic Force Microscope (AFM) to characterize post-mortem fracture surfaces. These studies will aid in characterising the size of phase separation and will feed different statistical tools (stochastic modeling, fractal analysis).
Mots clés/Keywords
mécanique
Compétences/Skills
Banc d'essai de corrosion sous contrainte Microscopie à champ proche (AFM, …) Différents outils statistiques (modélisation stochastique, analyse fractale)
Conversion de l'énergie thermoélectrique dans les fluides complexes (2 propositions)
Thermoelectric energy conversion in complex fluids (2 propositions)

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/03/2023

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

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

Résumé/Summary
At SPHYNX, we propose two experimental internship opportunities on the thermoelectric energy conversion phenomena in ionic liquids and nanofluids. The positions are intended for M2 students, but highly motivated M1 students can also apply.
Sujet détaillé/Full description
La thermoélectricité, c'est-à-dire la capacité d'un matériau à convertir la chaleur en énergie électrique, est connue dans les liquides depuis plusieurs décennies. Contrairement aux solides, ce processus de conversion dans les liquides prend plusieurs formes, notamment les réactions thermo-valvaniques entre les ions redox et les électrodes, la thermo-diffusion d'espèces chargées et la formation d'une double couche électrique aux électrodes en fonction de la température. Les valeurs observées du coefficient Seebeck (Se = - DV/DT, rapport entre la tension induite et la différence de température appliquée) sont généralement supérieures à 1 mV/K, un ordre de grandeur plus élevé que celles trouvées dans la contrepartie solide.

Au laboratoire SPHYNX, deux projets de recherche sont en cours pour comprendre et exploiter les mécanismes de conversion chaleur-électricité dans ces fluides complexes :

1) La cogénération de chaleur et d'électricité à l'aide de nanofluides (suspensions liquides d'additifs de taille nanométrique) via des capteurs hybrides solaires-thermiques. Dans ce projet, nous combinons l'absorption de la lumière solaire et la thermo-électrodiffusion de nano-additifs pour produire simultanément de la chaleur et de l'électricité à partir du rayonnement solaire [1]. Un dispositif prototype a été construit par notre laboratoire partenaire (Institut National d'Optique, INO, Firenze, Italie) et est actuellement testé au laboratoire. Pour les nanofluides, nous utilisons des nanoparticules de maghémite (oxyde de fer, collaboration avec Sorbonne Université) en milieu aqueux connues pour leur stabilité à long terme, leur capacité d'absorption de chaleur modérément élevée et leur meilleur rendement thermoélectrique [2,3].

Le stage a pour objectif à court terme d'évaluer la faisabilité du prototype en déterminant l'ampleur de la production de chaleur, le gradient thermique et la puissance de sortie en fonction de la puissance d'irradiation et de la concentration en nanoparticules. Une fois achevé, le stage sera converti en un projet de recherche de thèse de doctorat visant à étudier les lois physiques sous-jacentes à l'absorption du rayonnement solaire (chaleur), le potentiel thermoélectrique, la production d'énergie et d'autres phénomènes associés dans divers types de nanofluides, ainsi que le développement de dispositifs plus grands et plus évolués, en identifiant l'impact de la géométrie des piles (y compris celle de l'isolant thermique), les modèles d'écoulement des fluides, etc... (Le stagiaire M2 devra poursuivre ce travail en thèse et solliciter une bourse de doctorat).

2) Amélioration de la conversion d'énergie thermo-galvanique dans les liquides ioniques par solvatation redox et chimie de coordination. Les liquides ioniques à température ambiante (LTI) sont des sels fondus qui sont liquides en dessous de 100 °C et jusqu'à 200 - 400°C. Par rapport aux liquides classiques, ils présentent de nombreuses caractéristiques favorables telles que des points d'ébullition élevés, une faible pression de vapeur, une conductivité ionique élevée et une faible conductivité thermique accompagnée de valeurs Se plus élevées. Ces dernières proviendraient d'un environnement ionique complexe et fort dans la couche de solvatation / complexation entourant les espèces redox uniques aux liquides ioniques 4,5. Une compréhension claire et le contrôle précis de la spéciation des ions métalliques et de leur impact sur le changement d'entropie structurelle de la couche de solvatation est une clé pour la conception rationnelle des futurs liquides TEC. Le stage proposé est expérimental, explorant d'abord la relation entre les constituants ioniques du liquide (divers TECs et mélanges TEC / solvant) l'effet thermo-galvanique des sels redox disponibles dans le commerce via des mesures de coefficient Seebeck (tension), d'impédance et de puissance. Au cours de la thèse (financement disponible) qui suivra le stage, l'étude sera étendue pour aborder la chimie de coordination des ions redox de métaux de transition fabriqués avec des métaux couramment disponibles (Fe, Cu, etc.), impliquant : des études de complexation des métaux, l'électrolyse, et des méthodologies de caractérisation spectrale et électrochimique (collaboration avec IJCLab, UPSaclay).

Dans les deux projets, notre objectif à long terme est d'approfondir la compréhension des phénomènes thermoélectriques composés sur mesure dans les milieux liquides, et de démontrer le potentiel d'application des liquides thermoélectriques complexes basés sur des matériaux abordables, abondants et sûrs pour la récolte d'énergie thermique en tant qu'outil d'efficacité énergétique.

Sur ces 2 projets le candidat devra avoir de solides connaissances en physique (thermodynamique) avec quelques notions théoriques/pratiques de chimie (CPGE, double-major physique/chimie en licence ou énergie/électrochimie/chimie en Master 1/2). Aucune compétence numérique n'est nécessaire pour ces postes, cependant, des compétences de base en analyse de données sont requises. Une expérience pratique en laboratoire (manipulation de boîtes à gants, manipulation de matériel électronique...) sera un atout.

Contact: Saco Nakamae 01 69 08 75 38, sawako.nakamae@cea.fr

Références :

[1] Z. Liu et al., “Enhancement of solar energy collection with magnetic nanofluids,” Therm. Sci. & Eng. Prog., 8, 130 (2018).
[2] E. Sani, et al., “Multifunctional Magnetic Nanocolloids for Hybrid Solar-Thermoelectric Energy Harvesting,” Nanomaterials, 11(4), 1031; https://doi.org/10.3390/nano11041031 (2021).
[3] T. Salez et al., “Magnetic enhancement of Seebeck coefficient in ferrofluids,” Nanoscale Adv., 1, 2979 (2019).
[4] T. Salez “Effets thermoélectriques dans des liquides complexes: liquides ioniques et ferrofluides” Thèse de Doctorat, PSL Research University (2018)
[5] M. Beaughon « Thermoélectricité dans les solvants, liquides ioniques et ferrofluides » thèse de doctorat, l'université Paris-Saclay (2022)
Thermoelectricity, a materials’ capability to convert heat in to electric energy has been known to exist in liquids for many decades. Unlike in solids, this conversion process liquids take several forms including the thermogalvanic reactions between the redox ions and the electrodes, the thermodiffusion of charged species and the temperature dependent formation of electrical double layer at the electrodes. The observed values of Seebeck coefficient (Se = - DV/DT, the ratio between the induced voltage and the applied temperature difference) are generally above 1 mV/K, an order of magnitude higher than those found in the solid counterpart.

At SPHYNX, we have two on-going research projects to understand and exploit the heat-to-electricity conversion mechanisms in such complex fluids.

1) Co-generation of heat & electricity using nanofluids (liquid suspensions of nanometer-sized additives) via hybrid solar-thermal collectors. In this project, we combine the Sun-light absorption and the thermo-electrodiffusion of nano-additives to simultaneously produce heat and electricity from the solar radiation1. A prototype device has been built (see figure) by our partner laboratory (National Optical Institute, INO, Firenze, Italy) and currently being tested at SPHYNX. For the nanofluids, we use maghemite (iron oxide, collaboration with Sorbonne U) nanoparticles in aqueous media known for their long-term stability, moderately elevated heat absorption capacity and improved thermoelectric efficiency2,3. The internship has for its short-term goal to benchmark the prototype feasibility by determining the extractable magnitude of heat generation, thermal gradient and the power-output as a function of the irradiation power and nanoparticle concentration. Upon its successful completion, the internship will be converted into a PhD thesis research project investigating the underlying laws of physics behind the solar radiation absorption (heat) and the thermoelectric potential and power generation and other associated phenomena in various types of nanofluids, as well as the development of larger and more evolved devices identifying the impact of cell geometry (including that of thermal insulator), fluid-flow patterns, etc.. (The candidate must apply for PhD scholarship).

2) Thermogalvanic energy conversion improvement in ionic liquids via by redox solvation and coordination chemistry. Room temperature ionic liquids (RTILs) are molten salts that are liquid below 100 °C and up to 200 – 400°C. Compared to classical liquids, they exhibit many favorable features such as high boiling points, low vapour pressure, high ionic conductivity and low thermal conductivity accompanied by higher Se values. The latter is believed to stem from a complex and strong ionic environment in the solvation/complexation layer surrounding the redox species unique to ionic liquids4,5. A clear understanding and the precise control of the speciation of metal ions and their impact on the structural entropy change of the solvation layer is a key to the rational design of future TEC liquids. The proposed internship is experimental, exploring first the relationship between the ionic constituents of the liquid (various RTILs and RTIL/solvent mixtures) the thermogalvanic effect of commercially available redox salts via Seebeck coefficient (voltage), impedance and power measurements. In the subsequent PhD period (funding available), the study will be extended to tackle the coordination chemistry of transition metal redox ions made with commonly available metals (Fe, Cu, etc), involving ), involving metal complexation studies, electrolysis, and spectral & electrochemical characterization methodologies (collaboration with IJCLab, UPSaclay).

In both projects, our long-term goal is to deepen the understanding of the bespoke compound thermoelectric phenomena in liquid media, and to demonstrate the application potential of complex thermoelectric liquids based on affordable, abundant and safe materials for thermal energy harvesting as an energy efficiency tool.

The ideal candidate will have strong background in Physics (thermodynamics) with some theoretical/practical notion of Chemistry (CPGE, undergraduate Physics/Chemistry double-major or Energy/Electrochemistry/Chemistry in Master 1/2). No numerical skills are necessary for these positions, however, basic data analysis skills are required. Hands on experience in the laboratory environment (glovebox handling, electronic hardware manipulation, etc.) is a plus.

Contact: Saco Nakamae 01 69 08 75 38, sawako.nakamae@cea.fr

References:

[1] Z. Liu et al., “Enhancement of solar energy collection with magnetic nanofluids,” Therm. Sci. & Eng. Prog., 8, 130 (2018).
[2] E. Sani, et al., “Multifunctional Magnetic Nanocolloids for Hybrid Solar-Thermoelectric Energy Harvesting,” Nanomaterials, 11(4), 1031; https://doi.org/10.3390/nano11041031 (2021).
[3] T. Salez et al., “Magnetic enhancement of Seebeck coefficient in ferrofluids,” Nanoscale Adv., 1, 2979 (2019).
[4] T. Salez “Effets thermoélectriques dans des liquides complexes: liquides ioniques et ferrofluides” Thèse de Doctorat, PSL Research University (2018)
[5] M. Beaughon « Thermoélectricité dans les solvants, liquides ioniques et ferrofluides » thèse de doctorat, l'université Paris-Saclay (2022)
Mots clés/Keywords
Thermodynamics, electrochemistry, renewable energy
Thermodynamics, electrochemistry, renewable energy
Compétences/Skills
Mesures de tension et de courant Mesures d'impédance Acquisition et analyse de données
Voltage and current measurements Impedance measurements Data acquisition
Logiciels
Matlab Origin LabView
Influence de la composition chimique sur les propriétés mécaniques de matériaux 3D imprimés
Influence of chemical composition on the mechanical properties of 3D printed materials

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/03/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary
Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à obtenir par fabrication additive une nouvelle classe de métamatériaux/microtreillis nanocomposites combinant légèreté et résistance résistance mécanique. L’objectif du stage est d’évaluer par Analyse Mécanique Dynamique (AMD) les propriétés viscoélastiques telles que le module d’Young, le module de cisaillement, la viscosité en compression et en cisaillement, ou encore la température de transition vitreuse, des nouvelles résines d'impression formulées en laboratoire dans ce cadre.
The internship is part of a research project aiming to obtain by additive manufacturing a new class of nanocomposites metamaterials (lattice materials) combining lightness and mechanical strength. The objective of the internship is to determined via Dynamic Mechanical Analysis (DMA) the viscoelastic properties such as Young's modulus, shear modulus, compression and shear viscosity, or glass transition temperature, of the new printing resins formulated in the laboratory in this context.
Sujet détaillé/Full description
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 micro-réseaux de propriétés mécaniques équivalentes. Parmi ceux-ci, les structures d’architectures aléatoires inspirées de la structure osseuse possèdent les meilleurs atouts avec des réponses mécaniques isotropes et des performances en termes de ratio module élastique sur densité inégalées tout en répondant aux enjeux de l’économie circulaire. Peu consommateurs de matière, ces méta-matériaux sont fabriqués par impression 3D. Parmi toutes les technologies de fabrication, l’impression par polymérisation UV de résine liquide organique est la plus prometteuse.

Ces résines peuvent être chargées de nanoparticules afin de moduler les propriétés des méta-matériaux et renforcer leur résistance mécanique. Une gamme de résines a été générée mais les performances mécaniques du matériau imprimé n’ont pas encore été évaluées. Par ailleurs, de nombreux paramètres d’impression peuvent également affecter les propriétés finales. Ainsi, la caractérisation des propriétés mécaniques de ces résines est nécessaire pour le contrôle de la performance de ces nouveaux matériaux.

L’objectif du stage est d’évaluer par Analyse Mécanique Dynamique (AMD) les propriétés viscoélastiques telles que le module d’Young, le module de cisaillement, la viscosité en compression et en cisaillement, ou encore la température de transition vitreuse , des nouvelles résines formulées en laboratoire. Le but poursuivi est d’établir un lien entre la formulation et les propriétés mécaniques.

Le stage pourra se décomposer en deux parties : 1) l’étude des propriétés mécaniques en fonction des différentes formulations ; 2) l’étude des propriétés mécaniques en fonction des différents paramètres d’impression.
Reducing the density of materials is a promising route to reduce our energy footprint. One solution is to replace massive materials with lattice materials formed by carefully arranged micro-beams. Among them, random architectural structures inspired by bone structure have the best assets with isotropic mechanical response and unprecedented performance in terms of elastic modulus to density ratio while meeting the challenges of the circular economy. These metamaterials are manufactured by 3D printing and, of all the manufacturing technologies available, printing by UV polymerisation of organic liquid resin is the most promising.

These resins can be loaded with nanoparticles to modulate the properties of the resulting metamaterials and enhance their mechanical strength. In this context, a variety of resins has been generated, but the mechanical performance of the printed material has not yet been evaluated. In addition, many printing parameters are also known to affect the final properties. Thus, the characterization of the mechanical properties of these resins is necessary to control the performance of these new materials.

The objective of the internship is to evaluate by Dynamic Mechanical Analysis (DMA) the viscoelastic properties such as Young's modulus, shear modulus, compressional and shear viscosity, and glass transition temperature of the new resins formulated in the laboratory. The aim is to establish the link between the formulation and the mechanical properties.
The internship will be divided into two parts: 1) the study of mechanical properties as a function of different formulations; 2) the study of mechanical properties as a function of different printing parameters.
Compétences/Skills
DMA, microscopie optique, impression 3D par photopolymérisation
DMA, optical microscopy, 3D printing via photopolymerisation
Les écoulements turbulents au delà de la barrière de Kolmogorov par des mesures petites échelles de 4D-PTV
Turbulent flows beyond the Kolmogorov barrier through small scale 4D-PTV measurements

Spécialité

Mécanique des fluides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/03/2023

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Cheminet Adam
+33 1 69 08 70 39

Résumé/Summary
Ce stage a pour but de développer, tester et caractériser des méthodes de détections de particules pour la métrologie optique des petites structures de la turbulence, sous l'échelle dite de Kolmogorov, dans une toute nouvelle expérience de grande taille, le Giant Von Karman (GVK).
The goal of this internship is to develop, test and assess particle detection methods specifically designed for the optical measurement of sub-Kolmogorov small scale structures of turbulence, in a new experimental facility : Giant Von Karman (GVK).
Sujet détaillé/Full description
Les écoulements visqueux sont omniprésents dans la nature et impactent de nombreux domaines de la physique, sciences de l’ingénieur, astrophysique, géophysique et aéronautiques. On sait tous que si l’on remue suffisamment fort un écoulement visqueux, celui-ci devient turbulent, présentant ainsi des tourbillons, des structures cohérentes de différentes tailles. Leurs tailles typiques et leur organisation peut être décrit dans un spectre d’énergie, présentant des lois d’échelles logarithmiques, caractéristiques des transferts d’énergie entre les échelles. L’énergie cinétique y est injectée aux grandes échelles et dissipée aux petites échelles.

La taille typique à laquelle la dissipation s’effectue est appelée échelle de Kolmogorov et marque la transition entre un comportement en loi en puissance et une décroissance exponentielle dans la gamme des nombres d’onde. Ainsi, les échelles plus petites que l’échelle de Kolmogorov contiennent une part négligeable de l’énergie cinétique. C’est pourquoi, on pense souvent que « rien d’intéressant ne se passe sous l’échelle de Kolmogorov ». Une simulation numérique directe est ainsi pensée être bien résolue si la taille minimale de l’espacement de la grille est l’échelle de Kolmogorov. Des avancées théoriques et expérimentales [1] suggèrent cependant que beaucoup de phénomènes intéressants se trouvent sous l’échelle de Kolmogorov et cela pourrait impacter la validité des Equations de Navier-Stokes (ENS) comme modèle pour la dynamique des écoulements industrielles, géophysiques et astrophysiques.

En effet, sous l’échelle de Kolmogorov, des flux d’énergie peuvent toujours avoir lieu et pourrait créer une dissipation non-visqueuse, totalement indépendante de la viscosité du fluide. Cela constituerait une véritable singularité dont l’existence pourrait être à l’origine de l’anomalie dissipative bien connue depuis les années 1930 dans les écoulements turbulents. L’existence de singularités dissipatives des ENS pourrait avoir de profondes implications sur la validité des ENS comme modèle d’écoulement car la différentiabilité est perdu au niveau d’une singularité. De plus, d’après [2,3] et confirmé par des simulations numériques [4], le bruit thermique de l’agitation moléculaire du fluide pourrait concurrencer le déplacement ‘macroscopique’ dans ces gammes d’échelles. Plus généralement, on peut penser que la structure générale des petites échelles de la turbulence est impacté par les fluctuations thermiques, qui pourrait interagir avec le développement des quasi-singularités.

Dans le projet de l’ANR BANG, nous explorons la validité des équations de Navier-Stokes comme modèle d’écoulement en étudiant les phénomènes apparaissant sous l’échelle de Kolmogorov, en utilisant des outils multi-échelles, et des technqiues de visualisations avancées 4D-Particle Tracking Velocimetry (4D-PTV) dans une expérience de grande taille appelée Giant Von Karman (GVK) construite au CEA. Par sa taille, GVK est parfaitement adaptée à l’exploration des petites échelles puisque la taille de Kolmogorov y est de l’ordre du millimètre. Pour accéder aux petites échelles, nous allons effectuer plusieurs campagnes de mesures 4D-PTV dans GVK, avec une forte densité particulaire, mais également des optiques non conventionnels, tel que les objectifs télécentriques avec des grandissements de l’ordre de 2, testé au LMFL. Dans ces conditions optiques, l’étape la plus difficile que les algorithmiques de 4D-PTV doivent surmonter correspond à la détection de particules dans les images. Identifier les particules dans des images denses est le point fondamental de la méthode 4D-PTV. C’est un problème difficile épineux où le chevauchement des particules dans les images crée des biais de localisation, des particules manquées et des faux positifs (appelées particules fantômes). Comme il faut augmenter la densité pour améliorer la résolution de nos mesures, le chevauchement de particules dans les images devient un des obstacles principaux à surmonter dans la perspective de passer sous la barrière de Kolmogorov.

Le but de ce stage est de développer, tester, et caractériser des méthodes de détection de particules, spécifiquement adaptée à la haute densité, et fort chevauchement. La/Le stagiaire construira ces outils en se basant sur différents outils et algorithmes déjà existants à l’ONERA pour la détection et la localisation de particule par vues multiples [5], afin de pouvoir analyser des images expérimentales issues de GVK. En premier lieu, la/le stagiaire aura pour tâche de créer un ensemble de données benchmark, qui ressembleront le plus possible au setup expérimental. Cet outil de benchmark servira pour la phase initiale de paramétrage des outils de détection et post-processing, avant de l’appliquer sur de vraies données expérimentales issues de GVK. Ce stage est la première étape vers une thèse dévouée à la découverte des phénomènes sous l’échelle de Kolmogorov.
Viscous flows are ubiquitous in nature and impact many areas of physics, engineering sciences, astrophysics, geophysics, or aeronautics. If you stir strongly enough a viscous flow, it becomes turbulent and displays vortices and coherent structures of various sizes. Typical sizes and organization of such structures can be described by a power-law energy spectrum characteristic of a scale-to-scale energy transfer, by which all the energy injected at large scale is transferred and dissipated at small scale.

The typical scale for energy dissipation is called the Kolmogorov scale and marks the transition between the power law behavior and a steep exponential decay in the wavenumber range. Therefore, scales smaller than the Kolmogorov scale contain a negligible fraction of the kinetic energy. Because of that, it is often thought that scales below are irrelevant and that “nothing interesting is happening below the Kolmogorov scale”. For a long time, a direct numerical simulation of a viscous fluid was thought to be “well resolved” if its minimal grid spacing is Kolmogorov scale. Recent theoretical and experimental advances however suggest that many interesting phenomena do happen below the Kolmogorov scale [1] and this may impact the validity of Navier-Stokes equations (NSE) as model for the dynamics of industrial, geophysical or astrophysical fluids.

Indeed, below the Kolmogorov scale, energy fluxes can still happen and could create a non-viscous dissipation totally independent of the fluid viscosity. This would constitute genuine dissipative singularities which existence could be the origin of the well-known dissipative anomaly in turbulent flows. Existence of dissipative NSE singularities may have profound implications on the validity of NSE as a model of fluid, as differentiability is lost at this point. Furthermore, following [2,3] and confirmed by numerical simulations [4], thermal noise from the molecular agitation of the fluid could compete with macroscopic motions at scales below the Kolmogorov scale. More generally, we may think that the whole structure of small-scale turbulence is affected by thermal fluctuations that may impact or impede the development of quasi-singularities.

In the BANG project funded by the French National Research Agency, we explore the validity of the Navier-Stokes equation as a fluid model by studying the phenomena occurring below the Kolmogorov scale, using multi-scale tools and advanced visualization techniques, ie 4D Particle Tracking Velocimetry (4D-PTV), in a dedicated large turbulent experiment called Giant Von Karman (GVK) built at CEA (see Figure 1). By the sheer size of the experiment, it is perfectly tailored for the exploration of small scales as the Kolmogorov scale is of the order of 1 mm. To access small scales, we plan to carry out several 4D-PTV measurement campaigns in GVK, using high particle densities as well as unconventional optical conditions with telecentric lenses allowing for a magnification of 2 tested at LMFL. Under such optical conditions, the most difficult step 4D-PTV algorithms have to face resides in the image particle detection. Identifying particles in dense images is indeed the cornerstone of the 4D-PTV method. It is a challenging chicken-and-egg problem, where overlapping particle images generate biased particle localizations, missed particles and false positives (also known as “ghost particles”). As seeking for smaller turbulent scales can only be done by increasing the particle density, this particle image overlapping is thus identified as one of the main challenges that has to be tackled in the perspective of breaking the Kolmogorov barrier.

This internship’s aim is to develop, test and assess such a particle detection method for the problem of thermal noise characterization in order to increase the spatial resolution. The intern will build on the different algorithms and tools developed at ONERA for multiview particle detection and localisation [5] in order to process and analyze the experimental image data from GVK. At first, she/he will be in charge of creating the preliminary benchmark scenario and datasets that mimics the main features of the experimental setup. This scenario will be the basis for preliminary tuning of the processing tools before the intern handles experimental data processing and analysis from the GVK facility. The internship is the first step toward a full PHD position devoted to the discovery of sub Kolmogorov phenomena.

[1] [D19] Dubrulle B. Beyond Kolmogorov, J. Fluid Mech. Perspectives (2019).
[2] R. Betchov On the fine structure of turbulent flows, JFM 3 205-216 (1957); https://doi.org/10.1017/S0022112057000579
[3] R. Betchov Measure of the Intricacy of Turbulence The Physics of Fluids 7, 1160 (1964); https://doi.org/10.1063/1.1711356
[4] Eyink et al Dissipation-Range Fluid Turbulence and Thermal Noise (2021). https://arxiv.org/abs/2107.13954
[5] Cornic et al Double‑frame tomographic PTV at high seeding densities Experiments in Fluids,61:23 (2020).
Mots clés/Keywords
Turbulence, Métrologie optique, Méthodes inverses
Turbulence, Optical Metrology, Inverse Methods
Logiciels
Matlab, C, Cuda
Physique à plusieurs corps des défauts topologiques dans les matériaux actifs
Many-body physics of topological defects in active materials

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

04/05/2023

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

NARDINI Cesare et MAITRA Ananyo
+33 1 69 08 7072

Résumé/Summary
Comprendre la physique à plusieurs corps des défauts topologiques dans les matériaux actifs, avec une combinaison de techniques analytiques et numériques ; explorer leur pertinence pour les phénomènes collectifs dans les systèmes actifs et vivants.
Understanding the many-body physics of topological defects in active materials with a combination of analytical and numerical techniques; exploring their relevance for collective phenomena in active and living systems.
Sujet détaillé/Full description
De nombreuses caractéristiques spatio-temporelles des matériaux biologiques et actifs, de la morphogenèse à la structure des assemblées denses de colloïdes autopropulsés, sont causées et contrôlées par des défauts topologiques [2]. Les propriétés de ces défauts présentent cependant plusieurs énigmes : dans les systèmes en équilibre, les défauts topologiques se comportent de manière assez similaire aux charges électriques : ils ne peuvent être ni créés ni détruits et les défauts de même charge se repoussent alors que les charges opposées s'attirent. Pourtant, de nombreuses structures observées dans les matériaux vivants et actifs nécessitent que les défauts de même charge se regroupent. Comment cela est-il possible ? Comment les interactions entre les défauts actifs diffèrent-elles de leurs homologues passifs ? Les transitions de phase induites par les défauts sont-elles modifiées par l'activité, et quelles sont les propriétés des structures ordonnées par ces défauts ? Telles sont les questions primordiales auxquelles ce projet théorique tentera de fournir des réponses.

Le stage se concentrera sur l'étude des interactions à deux corps des défauts dans un modèle minimal de matière active en utilisant des techniques analytiques et numériques. Le point de départ sera les théories de champ qui ont été développées au cours des 20 dernières années pour décrire la matière active [1]. Nous calculerons explicitement les interactions entre deux défauts dans les nématiques actives, puis dans d'autres phases ordonnées telles que les hexatiques, en généralisant les méthodes développées pour les systèmes passifs [3]. La dynamique stochastique obtenue pour les défauts sera intégrée numériquement pour prédire les phases ordonnées par défaut qui peuvent apparaître. Le projet peut être poursuivi en thèse de doctorat.

[1] M.C. Marchetti et al, Rev. Mod. Phys. 85, 1143 (2013); [2] S. Shankar et al., Nat. Rev. Phys.
4.6 (2022); [3] G. F. Mazenko, Phys. Rev. Lett. 78, 401 (1997); [4] H. S. Seung et al. Phys. Rev. A
38, 1005 (1988); [5] L.A. Hoffmann, et al., Science advances 8.15 (2022); [6] L.M. Pismen, Phys. Rev.
E 88 (2013).
Many space-time features of biological and active materials, from morphogenesis to the structure of dense assemblies of self-propelled colloids, are caused and controlled by topological defects [2]. The properties of these defects, though, present several puzzles: in equilibrium systems, topological defects behave quite similarly to electric charges: they can neither be created nor destroyed and defects of the same charge repel while opposite charges attract. Yet, many of the observed structures of living and active materials require defects of the same charge to cluster together. How is this possible? How do the interactions between active defects differ from their passive counterparts? Are defect-driven phase transitions changed by activity, and what are the properties of defect-ordered structures? These are the overarching questions that this theoretical project will seek to answer.

The internship will focus on investigating the two-body interactions of defects in a minimal model of active matter using analytical and numerical techniques. The starting point will be field theories that have been developed in the last 20 years to describe active matter [1]. We will explicitly calculate two-defect interactions in active nematics and then in other ordered phases such as hexatics, generalising methods developed for passive systems [3]. The obtained stochastic dynamics for defects will be integrated numerically to predict the defect-ordered phases that may arise. The project is suitable for being continued as a PhD.

[1] M.C. Marchetti et al, Rev. Mod. Phys. 85, 1143 (2013); [2] S. Shankar et al., Nat. Rev. Phys. 4.6 (2022); [3] G. F. Mazenko, Phys. Rev. Lett. 78, 401 (1997); [4] H. S. Seung et al. Phys. Rev. A 38, 1005 (1988); [5] L.A. Hoffmann, et al., Science advances 8.15 (2022); [6] L.M. Pismen, Phys. Rev. E 88 (2013).
Mots clés/Keywords
Soft Matter, Active Matter
Soft Matter, Active Matter
Compétences/Skills
Analytical methods, field theories, numerical simulations
Analytical methods, field theories, numerical simulations
Trempe ultra rapide de verres moléculaires

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+3

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

26/04/2023

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

HENOT Marceau
+33 1 69 08 73 36

Résumé/Summary
Ce stage, qui s'adresse à des étudiants de L3 ou M1, a pour objectif de mettre en œuvre un nouveau dispositif expérimental développé au SPHYNX afin d'étudier le comportement d'un verre moléculaire sous l'effet d'une trempe thermique rapide.
Sujet détaillé/Full description
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, il reste encore des questions ouvertes sur les mécanismes physiques à l’œuvre. Du fait des possibilités de mesure (électrique, optique, etc.) qu’ils offrent, les verres moléculaires constitués de molécules organiques de petites taille, (par exemple du glycérol) ont suscité un intérêt pour l’étude de ces phénomènes.

Un dispositif expérimental, développé récemment au sein du groupe SPHYNX permet d’appliquer à un liquide dans un cryostat des changements de température de grande amplitude (plusieurs dizaines de Kelvins) et à des vitesses importantes (jusqu’à 10^5 K/s, ce qui est 10^7 fois plus rapide que les procédés standards). La dynamique du liquide, à l’échelle moléculaire, peut être suivie par spectroscopie diélectrique, c’est-à-dire en étudiant la réponse du liquide (polaire) à un champ électrique variable.

L’objectif de ce stage est d’étudier expérimentalement la dynamique très lente de liquides près de la transition vitreuse et la manière dont celle-ci est affectée par des changements brusques de température. Dans ce cadre, le/la stagiaire devra dans un premier temps prendre en main le dispositif expérimental, réaliser des échantillons en salle blanche et optimiser le système de mesure (développé en Python et Arduino) afin de permettre l’acquisition des premiers instants de la réponse du liquide. Un travail axé sur des simulations numériques du comportement thermique de l’échantillon pourra également être mené. Si la durée du stage le permet, un nouveau design d’échantillon pourra être développé permettant de suivre la réponse diélectrique du liquide pendant la phase de chauffage.
Compétences/Skills
Spectroscopie diélectrique, fabrication en salle blanche
Logiciels
Python, Arduino

 

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