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Atomic force microscope comparisons of fossilized and modern brachiopods
Atomic force microscope comparisons of fossilized and modern brachiopods

Spécialité

Sciences et technologies des matériaux

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

17-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

ROUNTREE Cindy
+33 1 69 08 26 55

Résumé/Summary

The IMAFMP team will analyze Brachiopods from the Palaeontological collections of the Muséum National d’Histoire Naturelle (MNHN, Paris) in collaboration with S. Charbonnier and D. Gaspard, MNHN.
The IMAFMP team will analyze Brachiopods from the Palaeontological collections of the Muséum National d’Histoire Naturelle (MNHN, Paris) in collaboration with S. Charbonnier and D. Gaspard, MNHN.

Sujet détaillé/Full description

The brachiopods, present since the Early Cambrian (more than 500 MA), are benthic marine invertebrates living attached to various kinds of substrates. These organisms possess a bivalved shell (ventral and dorsal). Within the subphylum, there are 3 series: (1) Rhynchonelliformea: This is the first series of the 3 subphyla, with a shell composed of low-magnesium calcite; (2) Craniiformea: The shells concerned are composed of higher amounts magnesium calcite; and (3) Linguliformea: These species possess a shell composed of apatite (calcium phosphate). Brachiopods still live in modern seas and oceans all over the world. Yet, the species diversity has decreased. Thus, brachiopods remain a true witness of (palaeo)environments. Figure 1 depicts the process of secretion of the shell, which has 2, or even 3, layers. From the figure, one can see microstructural organization from the generative zone of the mantle tissue.
When working on fossils shells, it is important to analyze living specimens in parallel to understand what is susceptible to modifications during fossilization. The Peak-Force Atomic Force Microscopy (PF-AFM) allows us to reach the nano-level of the hierarchical architecture of the shell complementing Scanning Electron Microscopy observations (SEM) (Gaspard & Nouet, JSB, 2016).
The brachiopods, present since the Early Cambrian (more than 500 MA), are benthic marine invertebrates living attached to various kinds of substrates. These organisms possess a bivalved shell (ventral and dorsal). Within the subphylum, there are 3 series: (1) Rhynchonelliformea: This is the first series of the 3 subphyla, with a shell composed of low-magnesium calcite; (2) Craniiformea: The shells concerned are composed of higher amounts magnesium calcite; and (3) Linguliformea: These species possess a shell composed of apatite (calcium phosphate). Brachiopods still live in modern seas and oceans all over the world. Yet, the species diversity has decreased. Thus, brachiopods remain a true witness of (palaeo)environments. Figure 1 depicts the process of secretion of the shell, which has 2, or even 3, layers. From the figure, one can see microstructural organization from the generative zone of the mantle tissue.
When working on fossils shells, it is important to analyze living specimens in parallel to understand what is susceptible to modifications during fossilization. The Peak-Force Atomic Force Microscopy (PF-AFM) allows us to reach the nano-level of the hierarchical architecture of the shell complementing Scanning Electron Microscopy observations (SEM) (Gaspard & Nouet, JSB, 2016).

Mots clés/Keywords

Microscope à force atomique, Paléo-environnements et taphonomie
Atomic Force Microscopy, Brachiopods

Compétences/Skills

Microscope à force atomique
Atomic Force Microscopy

Logiciels

Matlab, Nanoscope

Métamatériaux "os" inspirés: vers des matériaux à la fois légers et résistants
Fracture properties of bone-inspired mechanical metamaterials: toward lightweight and resistant solids

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary

Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à développer une nouvelle classe de méta-matériaux poreux, d’architecture aléatoire et inspirée de la structure osseuse pour combiner légèreté et résistance à la rupture.
The internship is part of a research project aiming at developing a new class of porous meta-materials with a random architecture inspired by that of bones, to achieve high performance in terms of both lightness and resistance to fracture.

Sujet détaillé/Full description

La recherche de matériaux combinant légèreté et résistance mécanique est un domaine en plein essor, tiré, dans le domaine du transport notamment par la volonté de réduire les émissions de CO2 et de développer des véhicules économes en carburant. Des progrès importants ont été accomplis récemment ; les méta-matériaux ou matériaux architecturés offre dans ce contexte un potentiel considérable (e.g micro-lattice inventé au Caltech et produit par Boeing).
Les voies explorées actuellement portent principalement sur des architectures périodiques. L’idée explorée ici vise à obtenir une nouvelle classe de matériaux d'architecture aléatoire ayant des propriétés statistiques invariante d’échelle spécifiques inspirées de la structure osseuse. Il s’agira aussi de regarder comment une telle structure aléatoire se répercute en terme de « risques », i.e. de fluctuations statistiques autour du comportement moyen. L’objectif final est d’arriver à des outils de rationalisation rigoureux permettant de définir un/des optimums en termes de légèreté, résistance à la fissuration, et risques (au sens défini ci-dessus).
Nos recherches précédentes nous ont permis de développer certains formalismes à l’interface entre mécanique des milieux continus et physique statistique, permettant de prendre en compte explicitement (dans des cas simples) les inhommogénéités de microstructure, leur nature discrète, et de prédire leurs effets sur le comportement en rupture à l’échelle macrosopique. Il s’agira d’adapter ce formalisme à nos metamatériaux aléatoires. L’étude s’appuiera sur des approches numériques de type « Random Lattice model » de complexité croissante. Une attention particulière sera portée sur une caractérisation propre des fluctuations statistiques autour du comportement en rupture moyen. L’approche sera ensuite qualifiée au travers d’expériences menées sur des échantillons de porosité fractale obtenues par impression additive, puis cassées au moyen d’un dispositif expérimental original développé dans notre laboratoire et donnant accès à la résistance en rupture et ses fluctuations statistiques.
The quest toward high-performance materials combining lightness and mechanical strength gave rise to a flurry of activity: desire to reduce CO2 emissions and develop fuel-efficient vehiclesin the transport industries for instance. In this context, meta-materials or architectured materials offer considerable potential (e.g. micro-lattice invented at Caltech and produced by Boeing) and significant progresses have been achieved recently.
The routes explored till now have focussed mainly on periodic architectures.
The routes explored so far have mainly focused on periodic architectures. This project aims to explore random architectures, imitating that of bones, with specific scale invariant statistical properties (fractals). Particular attention will be paid to the consequences of such a random structure in terms of "risks", ie statistical fluctuations around the average failure behavior. The ultimate goal is to provide rigorous rationalization tools to define one or more optima in terms of lightness, crack resistance and risk (as defined above) in this new class of materials.
Our previous research has provided some formalisms, at the interface between continuum mechanics and statistical physics, which allow (in simple cases) to explicitly take into account the effect of microstructure inhomogeneities (or its discrete nature) on behavior. in macroscopic rupture and its statistical fluctuations. We will seek to adapt this formalism to the study of our random metamaterials. The project will rely on numerical approaches based on random network models of increasing complexity. Particular attention will be paid to a correct characterization of the statistical fluctuations around the average breaking behavior. The approach will then be confronted with experiments carried out on fractal fractal porosity 2D printed samples using an original experimental device developed in our laboratory and giving access to both the tenacity and its statistical fluctuations

Mots clés/Keywords

Physique statistique, mécanique de la fracture
Statistical physics, solid mechanics

Compétences/Skills

Modélisation par éléments discrets, analyse statistique, simulations numériques, mécanique expérimentale (thèse), impression additive (thèse)
Discrete element modeling, statistical analysis, numerical simulations, methods of experimental mechanics (PhD), additive printing (PhD)

Relever le défi de la transition vitreuse par manipulation optique de molécules.
Taking up the challenge of the glass transition by optical manipulations of molecules

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+4

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

29-09-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

LADIEU Francois
+33 1 69 08 72 49

Résumé/Summary

Existe-t-il une phase vitreuse bien définie thermodynamiquement, ou au contraire les verres sont-ils toujours des états hors d’équilibre dont le temps de relaxation est si grand que le système apparaît comme un solide ? Nous chercherons ici à concrétiser une expérience de la pensée proposée récemment par des physiciens théoriciens permettant de répondre à cette question.
Is there a thermodynamically well-defined glassy phase, or on the contrary are the glasses always in some out of equilibrium states the relaxation time of which is so great that the system appears as a solid ? Here we will seek to realize a gedenken experiment recently proposed by theoretical physicists to answer this question

Sujet détaillé/Full description

Contexte

D’après le prix Nobel P.W. Anderson, « Le problème non résolu le plus profond et le plus intéressant en théorie de la matière condensée est probablement la nature des verres et la transition vitreuse ». Cette citation reflète notre incapacité à trancher cette question : existe-t-il une phase vitreuse bien définie thermodynamiquement, ou au contraire les verres sont-ils toujours des états hors d’équilibre dont le temps de relaxation est si grand que le système apparait comme un solide ? Cette ignorance résulte d’une difficulté intrinsèque : les techniques expérimentales utilisées pour mettre en évidence des transitions de phases thermodynamiques (par exemple, liquide/gaz ou liquide/cristal) ne peuvent s’appliquer car elles seraient pour les verres incompatibles avec les temps d’expérience usuels. Il faut donc une approche novatrice pour lever le mystère de la transition vitreuse, laquelle représente non seulement un défi fondamental, mais de plus conditionne bon nombre d’applications, puisque les verres sont des matériaux de grande importance technologique (fuselages d’avions, fibres optiques, systèmes photovoltaïques…).

Objectifs

Dans ce contexte, nous cherchons à concrétiser une expérience de la pensée proposée récemment par des physiciens théoriciens qui permettra de démontrer ou infirmer la présence d’une transition thermodynamique vers un état vitreux. L’expérience consiste à étudier la réponse d’un liquide surfondu dans lequel des molécules choisies aléatoirement sont bloquées –ou « clouées »- dans l’espace : si ce blocage d’une faible fraction de particules modifie la dynamique globale, cela signifie qu’un ordre est bel et bien instauré dans le système, même si sa nature extrêmement complexe le rend indétectable par les méthodes standards de diffusion du rayonnement. L’approche que nous avons échafaudée requiert i) la mise au point de molécules manipulables optiquement, ii) la construction de l‘expérience optique, et iii) la comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Le stage consistera à travailler sur la construction et l’exploitation d’une telle expérience.

Détails et profil recherché

Ce projet est une collaboration réunissant toutes les compétences nécessaires entre physiciens, chimistes et théoriciens, situés près de Paris au CEA de Saclay et à l’université de Montpellier. Le stage se déroulera essentiellement dans les laboratoires NIMBE/LIONS et SPEC/SPHYNX du CEA de Saclay. Nous recherchons un candidat qui, en s’appuyant sur les expertises disponibles sur place, souhaite s’investir sur le projet, en apportant ses compétences soit en synthèse organique soit en physique expérimentale (optique, diffusion du rayonnement en laboratoire et en grands instruments, et spectroscopie diélectrique).
Context

According to the Nobel Prize awardee P.W. Anderson “The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the nature of glass and the glass transition”. This sentence reflects the fact that we still do not know if glasses are a true thermodynamic phase of matter or, on the contrary, if they are just out of equilibrium liquids which have become too viscous to flow on human time scales. Finding the answer to this seemingly simple question is hampered by the fact that, when decreasing temperature, the relaxation time of glass forming liquids becomes so large that one cannot rely onto the experimental techniques used to evidence standard thermodynamic phase transitions (e.g. liquid/gas transition or liquid/crystal transition). By using a totally new approach we aim at unveiling the nature of the glass transition, which is of great importance both for fundamental physics and for applications, since glasses play an increasing role in modern technologies (e.g. in optical fibers for communications, in photovoltaic devices, or in airplanes fuselages).

Objectives

More precisely, we aim at building an experiment corresponding to the “ideal thought experiment” proposed recently by some theorists, so as to unveil the presence or the absence of a true thermodynamic glass transition. In this experiment a fraction of molecules, randomly chosen in space, is pinned and one monitors the response of the rest of the liquid: if this pinning of a small fraction of molecules changes the global dynamics of the liquid, this means unambiguously that an order was present before establishing the pinning field, even though the extremely complex nature of this order had made it impossible to evidence by standard experimental tools. The approach that we have conceived needs: i) to design the optically sensitive molecules; ii) to build an optical setup allowing the realize pinning in the well-chosen liquid; iii) to compare the experimental results to the theoretical predictions. The internship consists in working onto the building and the exploitation of this experiment.

Profile of the candidate.

This project is a collaboration gathering all the required expertise between physicists, chemists, and theoreticians working at CEA Saclay –near Paris- and in the University of Montpellier. The internship will mainly take place in the NIMBE/LIONS and SPEC/SPHYNX laboratories in the CEA center of Saclay. We are looking for a candidate who, by relying onto the expertise available in the laboratories, really wants to invest herself/himself onto this project by providing us his/her skills either in organics chemistry or in experimental physics (optics, diffusion setups either in our laboratory or in large facilities, and dielectric spectroscopy).

Mots clés/Keywords

Optique
Optics

Transitions dans des systèmes turbulents hors équilibre
Transitions in out-of-equilibrium systems

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

04-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere & DAVIAUD Francois
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary

Le but de ce stage est d’aborder les transitions hors équilibre à l’aide d’expériences modèles. Une partie du travail reposera sur un écoulement cisaillé dans un cylindre fermé forcé par deux turbines et très fortement turbulent. Dans ce type d'écoulement, on peut observer des structures moyennes de différentes symétries qui peuvent coexister pour certaines valeurs des paramètres de contrôle. On peut alors assister, via des dynamiques temporelles complexes et lentes, à des transitions entre ces modes. Au delà des études expérimentales, un des objectifs du stage sera également de comparer les dynamiques et les transitions observées à des résultats récents obtenus en mécanique statistique et dans des modèles non-linéaires ou stochastiques.
This internship aims at studying transitions between non-equilibrium steady states, from an experimental point of view. The experiment will be the von Karman experiment, a vessel filled with water, in which spontaneous and forced bifurcations of the mean flow topology have been observed. The goal is to understand the conditions in which these transitions take place, and, if possible, establish a link with recent progress in theory of out-equilibrium systems, to generalize normal thermodynamics. The final aim is to understand whether such transitions take place in climate, and whether we would be even more concern with climate change taking place under the shape of tipping point and brutal transitions.

Sujet détaillé/Full description

Des transitions brutales sont observées de nombreux systèmes naturels : atmosphère, océan, climat, champ magnétique terrestre…Ces systèmes sont complexes : ils comportent de nombreuses échelles spatiales et temporelles en interaction et sont sujets à de très fortes fluctuations à toutes ces échelles. On peut y définir des structures moyennes telles les alizées, le Gulf-Stream ou les périodes glaciaires et interglaciaires. Ces structures peuvent apparaitre, disparaitre ou se transformer par des transitions qui mettent en jeu des brisures spontanées des symétries du système et peuvent être comparées à des transitions de phase ou des bifurcations. Ces phénomènes restent pourtant à l’heure actuelle mal compris alors qu’ils sont d’une importance capitale par exemple pour la dynamique du système climatique. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier expérimentalement un système modèle turbulent/fluctuant, où l’on peut observer des transitions sur certaines observables moyennes ou globales.

Les transitions de phase dans les systèmes modèles proches de l'équilibre thermodynamiques sont parfaitement connues et la physique des instabilités et du chaos a permis de réaliser des avancées considérables au cours de ces 30 dernières années pour les systèmes à petit nombre de degrés de liberté. De même, l’influence du bruit sur une transition a été étudiée avec succès dans de nombreux systèmes. Ce n'est pas le cas pour les systèmes complexes situés loin de l'équilibre dans lesquels les fluctuations sont du même ordre que les grandeurs moyennes. En effet, si des expériences de laboratoire ont récemment mis en évidence des transitions dans des systèmes turbulents, un cadre conceptuel reste encore à développer.

Le but de ce stage est d’aborder cette problématique à l’aide d’expériences modèles. Une partie du travail reposera sur un écoulement cisaillé dans un cylindre fermé forcé par deux turbines et très fortement turbulent. Dans ce type d'écoulement, on peut observer des structures moyennes de différentes symétries qui peuvent coexister pour certaines valeurs des paramètres de contrôle. On peut alors assister, via des dynamiques temporelles complexes et lentes, à des transitions entre ces modes. Au delà des études expérimentales, un des objectifs du stage sera également de comparer les dynamiques et les transitions observées à des résultats récents obtenus en mécanique statistique et dans des modèles non-linéaires ou stochastiques.


Le cœur de ce stage est expérimental, mais des développements théoriques sur la physique hors-équilibre via le formalisme multi-fractal et les ondelettes pourront être effectués. Cette thèse sera co-encadrée par F. Daviaud (CEA) et B. Dubrulle (CNRS). Le sujet stage requiert une solide formation de physicien, en particulier en physique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation. Il pourra éventuellement déboucher sur une thèse sur une thématique voisine.

Mots clés/Keywords

Turbulence -physique statistique
Turbulence -statistical physics

Compétences/Skills

Particle Image Velocimetry Wavelets
Particle Image Velocimetry Wavelets

Logiciels

Matlab

 

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