Les nano-particules (NP) de ferrites constituent une classe de matériaux aux multiples applications dans les domaines de la santé¹, de la catalyse² ou encore du stockage de l’information³. Plus récemment, on s'intéresse également à elles pour des applications dans des traitements de dépollution des eaux⁴. Dans ce dernier cas, les propriétés magnétiques des NP sont mises à profit pour séparer les NP, utilisées comme adsorbant, de l’eau traitée.

Il a été montré au LCPME (Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l’Environnement) que la préparation de magnétite en présence d'un polysaccharide (amidon) conduit à l’obtention d'un matériau hybride constitué de NP fonctionnalisées. La fonctionnalisation inhibe l’agrégation des particules qui conservent une aire spécifique élevée maximisant l’adsorption de polluants. Par ailleurs, la fonctionnalisation s’accompagne d’une modulation des propriétés structurales (réduction de la taille) et magnétiques (superparamagnétisme) des NP.^5,6 Cependant, si l’impact de la fonctionnalisation par des polysaccharides sur les propriétés des NP est bien établi, le rôle de ces polymères dans la formation des NP et les mécanismes à l’œuvre restent essentiellement incompris. La littérature évoque seulement des hypothèses concernant l’impact des polymères sur la nucléation et la croissance des particules d’oxydes de fer impliquant 1) les interactions polymères/ions fer, 2) les interactions polymères/oxydes de fer, 3) la diffusion réduite des ions fer en présence de polymère.

Le sujet de thèse proposé a pour objectif d'apporter une contribution significative à l’élucidation de ces mécanismes pour la rationalisation de l’élaboration de nano-ferrites fonctionnalisées et leur optimisation pour la dépollution des eaux. La stratégie mise en place consistera à faire le lien entre conditions de synthèse, structure et propriétés (magnétique, adsorption) des matériaux obtenus.

La fonctionnalisation par des polysaccharides tels que l’alginate, le chitosan ou le κ-carrageenan sera mis en œuvre afin d’évaluer le rôle respectif de leurs fonctions carboxylate, amine ou sulfonate sur l’obtention de ferrites. L’influence de paramètres de synthèse que sont la quantité de polymère et sa masse molaire permettra d’évaluer le rôle de l’interconnexion des NP via des chaînes polymériques. Il s’agira également de moduler la nature des interactions polymères / cations et polymère / oxyde en ajustant la nature du solvant, la force ionique ou la présence de complexants dans le milieu réactionnel. L’obtention de ferrites de composition variée (M_xFe_3-xO₄, M : Fe, Mn, Cu, Zn, …) sera envisagée.

Les matériaux obtenus seront caractérisés à l’aide des outils structuraux et spectroscopiques (DRX, FTIR, Raman, XPS, spectrométrie Mössbauer ⁵⁷Fe) en s’appuyant sur la plateforme de Spectroscopie et Microscopie des Interfaces (SMI) du LCPME. Enfin, la réactivité des ferrites vis-à-vis d’espèces sondes présentant un intérêt environnemental telles que les ions chromates sera évaluée.

(1)             Noqta, O. A.; Aziz, A. A.; Usman, I. A.; Bououdina, M. Recent Advances in Iron Oxide Nanoparticles (IONPs): Synthesis and Surface Modification for Biomedical Applications. J. Supercond. Nov. Magn. 2019, 32 (4), 779–795. https://doi.org/10.1007/s10948-018-4939-6.

(2)             Rezlescu, N.; Rezlescu, E.; Popa, P. D.; Doroftei, C.; Ignat, M. Scandium Substituted Nickel–Cobalt Ferrite Nanoparticles for Catalyst Applications. Appl. Catal. B Environ. 2014, 158–159, 70–75. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.03.052.

(3)             Dai, Q.; Nelson, A. Magnetically-Responsive Self Assembled Composites. Chem. Soc. Rev. 2010, 39 (11), 4057. https://doi.org/10.1039/b812669k.

(4)             Rakotomalala Robinson, M.; Coustel, R.; Abdelmoula, M.; Mallet, M. As(V) and As(III) Sequestration by Starch Functionalized Magnetite Nanoparticles: Influence of the Synthesis Route onto the Trapping Efficiency. Sci. Technol. Adv. Mater. 2020, 21 (1), 524–539. https://doi.org/10.1080/14686996.2020.1782714.

(5)             Rakotomalala Robinson, M.; Abdelmoula, M.; Mallet, M.; Coustel, R. Starch Functionalized Magnetite Nanoparticles: New Insight into the Structural and Magnetic Properties. J. Solid State Chem. 2019, 277, 587–593. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2019.06.033.

(6)             Rakotomalala Robinson, M.; Abdelmoula, M.; Mallet, M.; Coustel, R. The Role of Starch in Nano-Magnetite Formation: A Spectrometric and Structural Investigation. Mater. Chem. Phys. 2023, 297, 127285. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.127285.

Funding category: Contrat doctoral

PHD Country: France

Contexte scientifique. Les émetteurs quantiques dans des matériaux en couches semi-conducteurs bidimensionnels (2D) se développent rapidement et constituent l'un des éléments de base les plus prometteurs pour les technologies quantiques de nouvelle génération [1,2,3]. De plus, ces systèmes qbits présentent un grand intérêt pour les expériences fondamentales d’optique quantique. En effet, ces défauts optiquement actifs ou excitons confinés héritent de propriétés exceptionnelles de leurs hôtes 2D, qui présentent une grande flexibilité mécanique, une intégration facile dans des puces photoniques et une capacité à être empilés avec d'autres matériaux 2D (2DM) pour former des architectures de dispositifs innovantes.

Projet de doctorat. Au sein de l'équipe, des progrès importants ont été réalisés d'une part concernant le traitement et l'identification des défauts radiatifs dans le nitrure de bore hexagonal [6], et d'autre part, dans le développement d'une expérience de pointe combinant microscopie optique et non ultrarapide. -spectroscopie cohérente linéaire (voir fig.). Ce dernier permet de sonder optiquement et de manipuler des superpositions quantiques d'états au niveau d'un système unique avec une résolution spatiale (~ 500 nm) et temporelle (100 fs) [4,5]. Dans ce contexte, nous recherchons un étudiant motivé pour étudier l'interaction lumière-matière médiée entre des défauts radiatifs ou des excitons confinés dans des hôtes 2D, couplés à des nanostructures photoniques, afin d'adapter leurs propriétés optiques. Le projet de thèse comporte de multiples aspects. 1) Synthèse de matériaux 2D de nouvelle génération. 2) Caractérisation statique des émetteurs quantiques par spectroscopie de micro-photoluminescence, allant de la cryogénie à la température ambiante. 3) Etude des propriétés quantiques à l'aide de l'expérience résolue en temps de pointe mentionnée ci-dessus. 4) Compréhension et modélisation des mécanismes de décohérence de systèmes excitoniques confinés entourés d'environnements photoniques et cristallins 2D.

Possibilité de financement. Cette proposition de recherche fait partie des sujets de thèse prioritaires à l'école doctorale 182 de Strasbourg. D'autres sources de financement de doctorat, basées sur les bourses de PI, peuvent également être envisagées.

[1] I. Aharonovitch, ; Toth, M. Émetteurs quantiques en deux dimensions. Sciences 358 (6360), 170-171 ( 2017 ) .

[2] A. Kubanek. Émetteurs quantiques cohérents dans le nitrure de bore hexagonal. Adv Quantum Tech 5 (9), 2200009 ( 2022),

[3] Vasconcellos et al. Émetteurs de photons uniques dans des matériaux de Van Der Waals en couches. Physica Statut Solidi (b) ( 2022 ).

[4] F. Fras et al. Contrôle cohérent multi-ondes d'un émetteur unique à l'état solide. Nature Photonique 10, 155-158 (2016).

[5] D. Wigger et al. Explorer la cohérence des excitons individuels dans les points quantiques InAs. Phys . Rév. B 96, 165311 (2017)

[6] M. Islam et al. Analyse statistique à grande échelle de l'émission de défauts dans le hBN : révélation des familles spectrales et influence de la morphologie des flocons. http://arxiv.org/abs/2309.15023 (2023) .

Catégorie de financement : Contrat doctoral

Pays du doctorat : France

he International Max Planck Research School for Elementary Processes in Physical Chemistry (IMPRS-EPPC) at the Fritz Haber Institute of the Max Planck Society offers

5 PhD Positions in Physical Chemistry

The Fritz Haber Institute (FHI) in Berlin-Dahlem is one of the oldest and renowned research institutes within the Max Planck Society (MPG), Germany's most successful scientific organization for fundamental research. At the FHI, researchers from all over the world are engaged in basic research in the field of chemical physics at interfaces and surfaces, catalysis research and molecular physics.

The graduate school IMPRS-EPPC in Berlin is offering 5 PhD positions for research projects to be carried out with any of the participating research groups at the FHI, the Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin, and Universität Potsdam. The positions are linked to membership in the IMPRS-EPPC, and will be co-funded between the IMPRS-EPPC and the respective research groups. The IMPRS-EPPC is a graduate school funded by the MPG and hosted at the FHI in Berlin. The research within the School focuses on understanding the elementary process steps in physical chemistry problems, ultimately leading to functionality, ranging from single molecules chemistry on surfaces or in the gas phase to ultrafast surface dynamics and complex catalyst performance. All departments of the FHI as well as expert groups from physics and chemistry of all Berlin and Potsdam universities channel their respective efforts under the roof of the IMPRS-EPPC. For details see: https://www.fhi.mpg.de/imprs/research

Research Projects:

Candidates should propose a specific research project in Physical Chemistry and related fields, to be carried out with any of the participating research groups, see: https://www.fhi.mpg.de/imprs/PIs

Your application:

Applications will be accepted only through the Online Application form. The application deadline is Apr 30 2024. Highly motivated applicants should hold an excellent Master’s degree or equivalent in physics, chemistry, material science or related fields. For details of the application requirements please see: https://www.fhi.mpg.de/imprs/application We thank all applicants for their interest; however, only those individuals selected for an interview will be contacted.

Funding:

The position is initially limited to three years (extension possible) with a starting salary corresponding to a 66,67% TVöD/E13, Level 1, position. The positions will be co-funded between the IMPRS-EPPC (1st year) and the respective research group (remainder of the contract).

For more information please visit our website at https:// fhi.mpg.de/imprs or contact us: IMPRS-EPPC, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Germany e-mail: imprs@fritz-haber-institut.de Phone: +49-30-8413-5102

The Max Planck Society is committed to increasing the number of individuals with disabilities in its workforce and therefore encourages applications from such qualified individuals. Furthermore, the Max Planck Society seeks to increase gender diversity in research and therefore explicitly encourages women and non-binary people to apply.

Description du projet et du poste

Le développement des véhicules électriques et des véhicules autonomes nécessite d’équiper les infrastructures avec différents types de capteurs, et l’installation, si nécessaire, de systèmes de recharge inductifs ou conducteurs. Les entreprises proposent également de nouvelles solutions d'éclairage et de signalisation dynamique intégrées aux infrastructures et enfin, des solutions de récupération d'énergie via les infrastructures se développent. Toutes ces évolutions technologiques complexifient les infrastructures routières et la construction modulaire apparaît comme une solution d’avenir. En effet, ce mode constructif permet la préfabrication en usine d'éléments intégrant tous les éléments fonctionnels nécessaires. En milieu urbain, la modularité de l'ouvrage permet également l'accès aux réseaux sous-jacents, ce qui facilite la maintenance. C'est par exemple l'objet des trottoirs urbains démontables développés à base de dalles de béton hexagonales depuis plusieurs années à l'Université G. Eiffel [1]. Pour y parvenir, la plateforme sur laquelle sont posés les éléments modulaires doit être facilement creusée et donc de faible résistance, tout en ayant une capacité portante suffisante pour supporter le trafic. A priori, ces deux propriétés sont antinomiques. Cependant, l'Université Gustave Eiffel a développé depuis quelques années une méthode de conception de mélanges de tels matériaux à base de ciment à travers les thèses de Morin (2009) et Gennesseaux (2015), [2,3]. Ces matériaux présentent deux inconvénients d'un point de vue environnemental : ils contiennent du ciment dont la fabrication rejette du C02 (le ciment représente environ 7 % des rejets globaux de C02) et ils consomment des granulats naturels non disponibles en milieu urbain et nécessitent des transports.

Les voiries urbaines classiques sont très régulièrement ouvertes pour l'entretien du réseau. Le remblayage de ces tranchées se fait généralement avec des matériaux granulaires non liés qui sont compactés. Ce compactage entraîne des nuisances sonores importantes lors des travaux urbains et n'évite souvent pas les tassements post-compactage, qui provoquent des inconforts, des bruits de roulement et sont préjudiciables à l'esthétique des centres urbains. Des matériaux autocompactants à base de ciment existent mais sont rarement utilisés car il est difficile de contrôler le caractère excavable à long terme de ces matériaux.

Ces problèmes sont d'autant plus marqués que, dans le secteur routier, les volumes concernés sont importants. Il est donc important de pallier ces inconvénients et de proposer un système constructif excavable décarboné.

Pour cela, les objectifs de cette thèse sont :

• Remplacer les granulats naturels par des granulats de béton recyclés ;
• Remplacer le liant cimentaire par des carbonates de calcium précipités par des micro-organismes. La réutilisation des granulats de béton recyclés est une solution pour réduire les déchets dans le secteur de la construction, mais sa réutilisation dans le béton neuf reste modérée.

La capacité des bactéries à induire la formation de carbonate de calcium a plusieurs applications :

• l'auto-cicatrisation du béton [4] : les bactéries introduites sous forme de spores dans le béton sont activées au niveau des microfissures (<1 mm) et comblent ces fissures ;
• rénovation de monuments en pierre naturelle [5] : les bactéries forment un film protecteur de CaCO3 à la surface de la pierre ;
• consolidation du sol [6] : les bactéries sont injectées dans le sol et le carbonate de calcium formé cimente les grains ;
• amélioration des granulats de béton recyclés : l'objectif est de réduire la porosité des granulats recyclés en formant un biofilm carbonaté à leur surface. Cette application est encore dans le domaine de la recherche, notamment à l'Université G Eiffel [7,8].
• La formation de briques avec l'utilisation de CaCO3 pour lier les grains de sable entre eux [9,10].

Ce travail s'inscrit donc dans le développement d'une mobilité innovante, plus respectueuse de l'environnement et plus impliquée dans l'économie circulaire. Les applications pourraient être dédiées dans un premier temps au marché existant des tranchées urbaines puis aux chaussées modulaires si la technique se développe.

Les clés scientifiques à surmonter dans ce travail sont multiples :

• identification de bactéries adaptées aux granulats recyclés
• contrôle du développement bactérien rapide et de la calcification sur l’épaisseur de la couche de matériau en laboratoire ;
• caractérisation de la liaison intergranulaire par les bactéries et identification des facteurs d'influence ;
• optimisation de l'excavabilité/capacité portante obtenue ;
• adaptation du processus de laboratoire au site ;
• analyse du cycle de vie de la solution retenue et conclusion sur l'intérêt technique et social de la solution.

Les références

[1] http://cud.ifsttar.fr//

[2] Gennesseaux E., Sedran T., Torrenti JM et Hardy M., Formulation de matériaux excavables optimisés traités au ciment à l'aide d'un nouvel appareil de test de poinçonnage, Mater Struct, 51(3):56, 21 p, (2018). https://doi.org/10.1617/s11527-018-1184-1

[3] Morin C., Sedran T., De Larrard F., Dumontet H., Murgier S., Hardy M., Dano C. (2018) Développement d'un test d'excavabilité des matériaux de remblai : études numériques et expérimentales, Canadian Geotechnical Journal, 55 (1), pp. 69-78, https://doi.org/10.1139/cgj-2016-0534

[4] https://www.basiliskconcrete.com/en/

[5] http://amonit.fr/fr/accueil

[6] https://www.soletanche-bachy.com/fr/solutions/techniques/ground-improvement/biocalcis

[7] Medevielle M., Gueguen-Minerbe M., Sedran T., Adaptation d'une souche bactérienne alcalophile, induisant une précipitation de CaCO3, pour améliorer la qualité des granulats de béton recyclés | (Utilisation d'une souche bactérienne alcalino-résistante productrice de CaCO3 pour l'amélioration de la qualité des granulats de béton recyclé), Matériaux & Techniques, EDP Sciences, 2016, 104 (5),506, doi : 10.1051/mattech/2017020 .

[8] Heriberto Martinez Hernandez, Marielle Gueguen Minerbe, Yoan Pechaud et Thierry Sedran, Évaluation de la capacité des bactéries alcalophiles à former un biofilm à la surface des mortiers à base de ciment Portland, Matériaux & Techniques, 108 3 (2020) 304, Publié en ligne : 18 novembre 2020, DOI : 10.1051/mattech/2020032

[9] Kumar, JPPJ, Rajan Babu, B., Nandhagopal, G., Ragumaran, S., Ramakritinan, CM et Ravichandran, V. (2019). Synthèse in vitro de bio-briques à partir de bactéries uréolytiques marines isolées localement, comparaison avec des roches calcaires naturelles. Ingénierie écologique, 138, 97-105. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2019.07.017

[10] Lambert, SE et Randall, DG (2019). Fabriquer des bio-briques en utilisant des précipitations de carbonate de calcium induites par des microbes et de l'urine humaine. Recherche sur l'eau, 160, 158-166. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.05.069

Encadrement de thèse

Directrice de thèse : Marielle Gueguen - Université Gustave Eiffel, campus de Marne La Vallée Laboratoire MAST/CPDM

Encadrant : Thierry Sedran - Université Gustave Eiffel, campus de Nantes Laboratoire MAST/MIT

Encadrant : Gennesseaux Eric - Université Gustave Eiffel, campus de Nantes Laboratoire MAST/MIT

Localisation de la thèse

La thèse se déroulera au laboratoire MAST/CPDM du campus de Marne La vallée ( https://cpdm.univ-gustave-eiffel.fr/ ) pour la première année pour les aspects microbiologiques et au laboratoire MAST/MIT sur le Campus de Nantes ( https://mit.univ-gustave-eiffel.fr/ ) depuis deux ans pour les aspects caractérisation mécanique des matériaux routiers.

Description du projet et du poste

Dans le contexte actuel de transition énergétique, l’exploitation des sources d’énergie renouvelables revêt une importance cruciale. L’utilisation de la surface des routes exposée au rayonnement solaire pourrait capter l’énergie solaire, donnant ainsi une nouvelle fonction à la route qui contribuerait à la décarbonation des transports.

En couplant l'utilisation de panneaux photovoltaïques à un échangeur thermique constitué d'une couche de béton poreux dans laquelle circule un fluide caloporteur, l'Université Eiffel développe depuis quelques années une solution modulaire prometteuse : la chaussée hybride (Vizzari, 2020, 2021a). , 2021b). Les premiers résultats montrent des rendements intéressants, notamment obtenus grâce à la perméabilité importante de la couche poreuse (Asfour (2016), le Touz (2018)). Le caractère modulaire de l'innovation permet de contrôler les étapes de construction de ce type complexe de chaussée grâce à la préfabrication en béton.

Cette thèse propose de poursuivre ces efforts en optimisant conjointement les aspects mécaniques et thermiques de la chaussée hybride. Pour y parvenir, une approche expérimentale sera adoptée, s’appuyant sur une modélisation numérique et des modèles physiques pour les considérations thermiques. »

Les objectifs de la thèse sont les suivants :

1. Une optimisation thermique du matériau poreux est prévue pour maximiser la récupération énergétique. Cela impliquera la sélection des constituants et la conception du mélange. L'évaluation des échanges thermiques des matériaux générés peut être réalisée à l'aide de prototypes simples à l'échelle laboratoire respectant certains paramètres adimensionnels pour comparer les efficacités énergétiques des matériaux choisis.

2. Optimisation mécanique de la chaussée hybride : Il s'agit d'évaluer les performances mécaniques dans des conditions de circulation réalisables avec cette chaussée multicouche, qui comprend un noyau poreux à faible résistance. L’objectif est de maximiser les performances mécaniques tout en maintenant des rendements efficaces de récupération d’énergie. Il s'agira notamment de formuler des bétons poreux optimisés en termes d'efficacité thermique/propriétés mécaniques, d'optimiser la conception de la chaussée hybride (épaisseur, armatures, taille des modules, géométrie des distributeurs/collecteurs...), d'étudier le comportement en fatigue des bétons poreux et la multicouche, ainsi que l'examen de la liaison entre les couches. Si la performance globale est satisfaisante, un test de simulation de trafic à l'échelle 1:1 utilisant les machines FABAC (disponibles sur le campus) pourra être envisagé.

3. Optimisation topologique multiphysique du milieu poreux : Cette partie se concentre sur l'optimisation de l'efficacité du transfert thermique en étudiant différentes géométries internes et en caractérisant l'écoulement diphasique eau/air au sein du milieu poreux. Elle commence par une évaluation précise des échanges thermiques observés dans le milieu poreux développé pour la chaussée hybride. Les modèles et démonstrateurs déjà construits seront fournis pour évaluation selon des méthodologies expérimentales adaptées. Des simulations numériques du comportement thermique de topologies optimisées seront ensuite réalisées pour améliorer l'efficacité globale du système.

Cette thèse vise à répondre au manque actuel de connaissances sur le comportement mécanique et thermique des chaussées récupérant l'énergie solaire. En développant une solution holistique, cette recherche contribuera à la création de systèmes énergétiques plus durables et efficaces, répondant aux défis contemporains liés aux transports décarbonés et au besoin d'énergie propre.

La thèse se déroulera sur le campus nantais de l'Université Gustave Eiffel, au sein du laboratoire MAST/MIT pour les aspects mécaniques et expérimentaux, avec des interactions avec les laboratoires COSYS/SII et MAST/GPEM, également à Nantes, pour les aspects thermiques. Le doctorant bénéficiera d'un encadrement rapproché par une équipe complémentaire d'experts dans les domaines de la mécanique routière et des problématiques thermiques.

Procédure de candidature et de sélection

Cette bourse est conditionnelle à la réussite d'une sélection en deux étapes, dont la première étape est annoncée ici. Si le projet vous intéresse, merci de soumettre votre candidature par e-mail à Emmanuel Chailleux ( Emmanuel.chailleux@univ-eiffel.fr ), Florian Huchet ( Florian.huchet@univ-eiffel.fr ) et Eric Gennesseaux ( Eric. gennesseaux@univ-eiffel.fr ) au plus tard le 20 mars 2024. Postulez tôt, car les candidats présélectionnés seront sélectionnés pour des entretiens chaque semaine, pour être interviewés en ligne ou sur place (selon la localisation du candidat) en mars ou début avril, jusqu'à ce qu'un candidat approprié soit trouvé. A l'issue de ces entretiens, le candidat sera présélectionné et concourra ensuite à la sélection de l'École doctorale SIS (Nantes ED SIS 602) vers le 13-17 mai 2024, pour le deuxième et dernier tour de sélection. La candidature, en anglais ou en français, doit comprendre :

• Le CV du candidat (pas plus de 2 pages)
• Une courte lettre expliquant sa motivation pour ce poste et ce projet
• Notes des cours de Master (les deux dernières années d'études)
• Une lettre de recommandation d'une personne ayant encadré les travaux de laboratoire du candidat (par exemple le directeur du projet/stage de Master) – merci de demander au répondant d'envoyer la lettre de recommandation directement par e-mail à Eric.gennesseaux@univ-eiffel.fr

Le nom, l'adresse e-mail et les coordonnées téléphoniques d'un arbitre supplémentaire.

Durée

3 ans, à partir d'octobre 2024