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Relever le défi de la transition vitreuse par manipulation optique de molécules

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+3

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary

Nous cherchons du renfort pour construire une expérience utilisant des couches minces de molécules organiques manipulées par des faisceaux de lumière. L'objectif ultime est de tester des prédictions théoriques générales et primordiales sur les verres.

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’approche que nous avons échafaudée requiert i) la mise au point de molécules manipulables optiquement, et leur dépôt en couches minces de quelques microns d’épaisseur ii) la construction d’un montage optique, et iii) la comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Le stage sera une contribution à la construction 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 dans les laboratoires NIMBE/LIONS et SPEC/SPHYNX du CEA de Saclay. Nous recherchons un(e) candidat(e) qui, en s’appuyant sur les expertises disponibles sur place, pourra élaborer la procédure de fabrication des échantillons en contribuant à l’une ou ces étapes : dépôt de molécules en couches minces par voie physique ou chimique, gravure de circuits sur verre, mesures physiques (mesures optiques, diffusion des rayons X, spectroscopie diélectrique). Idéalement ce stage est conçu pour un niveau M1, mais il peut être facilement adapté pour un(e) étudiant(e) de L3.

Compétences/Skills

Dépôts en couches minces, diffusion des rayons X, lithographie, optique, spectroscopie diélectrique.
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Conception et étude d'un générateur de goutte microfluidique couplé à la spectrométrie de masse
Design and study of a microfluidic droplet generator coupled to mass spectrometry

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GEERTSEN Valerie
+33 1 69 08 47 98

Résumé/Summary

Ce stage portera sur la création d’un générateur de gouttes microfluidiques destiné à l’encapsulation de nanoparticules au sein d’émulsion pour une analyse de nanoparticule unique par spectrométrie de masse (ICPMS).
This internship studies the fabrication of a microfluidics droplet generator for mass spectrometry single nanoparticle analysis (SPICPMS)

Sujet détaillé/Full description

Le stage proposé ici consiste au développement d’un nouveau type de couplage instrumental associant une plateforme microfluidique digitale avec la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (µDig-ICPMS). Il est conduit par deux équipes du CEA Saclay (DRF/LIONS et DEN/LANIE).
Ces dernières années ont vu le développement dans différents laboratoires à travers le monde dont le DRF/LIONS de plateformes microfluidiques destinées à la création et à la manipulation de gouttes liquides calibrées dans une phase liquide continue (µDig). Ces plateformes sont un élément de réponse pertinent pour l’analyse par la diminution évidente des volumes d’effluents et d’échantillon mais aussi par la création de nouveaux concepts tel que l’analyse en goutte destinée soit à l’étude d’échantillons hétérogènes (population d’objets) soit au screening de molécules.
Le stage a pour objectif de fabriquer des puces microfluidiques générant des trains de gouttes d’eau dans huile de tailles définies, avec un design permettant de minimiser la quantité de phase continue (huile) et compatible avec l’ICPMS. Les gouttes seront visualisées par caméra rapide embarquée sur microscope ou sur téléobjectif. Le travail proposé consiste à définir un matériau de fabrication pour la puce microfluidique, choisir un système chimique (huile, tensioactif) et enfin étudier l’éjection des gouttes d’eau depuis la plateforme microfluidique jusqu’au plasma d’argon du spectromètre de masse.
La durée du stage est d’au moins 6 mois. Le sujet pourra éventuellement être poursuivi en thèse (encapsulation de nanoparticules sur la plateforme microfluidique et analyse par Single Particule ICPMS). Ce travail très interdisciplinaire implique un goût du travail en équipe ainsi qu’une importante curiosité scientifique et un esprit d’ouverture. L’aspect fortement instrumental de la thématique nécessite un goût de l’expérience et de l’instrumentation. Une compétence du candidat en microfabrication, impression 3D ou chimie analytique serait fortement appréciée.
The internship focuses on the development of a new instrumental hyphenation associating digital microfluidic platform with inductively coupled plasma mass spectrometer (µDig-ICPMS). It will be supervised by two different laboratories of CEA Saclay (DRF/LIONS and DEN/LANIE).
These last years have seen in several laboratories around the world such as DRF/LIONS, the development of microfluidics platforms to create and manipulate calibrated liquid droplets inside a continuous liquid phase (µDig). These platforms are relevant not only for low-sample or low-waste volumes analysis but also for new analytical concepts such as heterogeneous samples analysis (determination of objects population) or molecules screening.
The traineeship purpose is to fabricate microfluidic chips to generate water droplets of predefined-size inside a continuous oil phase. The chip design will minimize the oil consumption while being compatible with the ICPMS requirement. Droplets will be visualized by rapid camera settled on microscope or telephoto lens. This study aims to define both microfabrication material and chemical system (oil, surfactant) as well as droplets ejection from microfluidic platform to ICPMS argon plasma.
Internship duration is at least 6 months. The work could possibly be continued in PhD (nanoparticles encapsulation on microfluidic platform and SPICPMS). This interdisciplinary thematic requires team work ability, large scientific curiosity and openness. Instrumentation being a large component of this study, the candidate must show a commitment for experimental laboratory work. A competence in microfabrication, 3D printing or analytical chemistry will be fully appreciated.

Mots clés/Keywords

Chimie analytique, chimie physique, microfabrication, microfluidique, nanoparticules, physico chimie, emulsions, gestion des flu
Analytical Chemistry, microfabrication, microfluidic, nanoparticles, physic chimistry, emulsion

Compétences/Skills

Spectrométrie de masse, ICPMS, microfabrication, photolithographie, microscopie optique
Mass spectrometry, ICPMS, microfabrication, photolithography, optical microscopy

Logiciels

Python, Excel, ..
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Intermédiaire de nucléation dans la biocristallisation calcaire
Nucleation intermediate in calcareous biocrystallization

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHEVALLARD Corinne
+33 1 69 08 52 23

Résumé/Summary

L’étude de la minéralisation chez les organismes vivants, ou « biominéralisation », sera menée en développant des systèmes modèles physico-chimiques. Les expériences réalisées se focaliseront sur le biocristallisation calcaire, et auront pour but de tester l’hypothèse d’une séparation de phase liquide-liquide dans le processus de nucléation cristalline biogénique.
The study of mineralization in living organisms, or "biomineralization", will be conducted by developing physico-chemical model systems. The experiments will focus on calcareous biocrystallization, and will test the hypothesis of a liquid-liquid phase separation in the biogenic process of crystal nucleation.

Sujet détaillé/Full description

Les organismes vivants ont la capacité de produire des structures minérales, ou « tissus durs » (dents, os, exosquelettes, etc.), dont les formes et propriétés mécaniques sont totalement adaptées à la fonctionnalité biologique ciblée [1]. La compréhension fine des mécanismes de biominéralisation est activement recherchée car elle est un prérequis au développement de voies de synthèse bio-inspirées permettant l’élaboration de nouveaux matériaux avec un très faible apport énergétique. Trois traits caractéristiques de la biominéralisation calcaires semblent émerger : (i) la précipitation de la phase minérale s’effectue toujours sous le contrôle de macromolécules organiques [1]; (ii) une phase minérale amorphe pourrait apparaître transitoirement et serait à l’origine des morphologies complexes observées [2]; (iii) tous les biocristaux calcaires présentent une nanostructuration, sous la forme d’un assemblage de granules de forme sphéroïdale et de taille caractéristique allant de 50 à 500 nm [3].
Nous nous proposons d’utiliser le point de vue de la physico-chimie pour comprendre les mécanismes génériques de la biominéralisation [4]. Une hypothèse actuellement en cours est que, avant même la nucléation cristalline, une séparation de phase liquide-liquide pourrait générer un intermédiaire liquide enrichi en minéraux qui se solidifierait pour donner des « granules » amorphes. La cristallisation de ces granules, intervenant dans un deuxième temps, conduirait au biocristal sous sa forme définitive avec une cohérence cristalline étendue à quelques granules.
Dans le cadre de ce stage, nous testerons cette hypothèse en mettant en œuvre des expériences de minéralisation du carbonate de calcium en présence de macromolécules organiques, pour lesquelles une séparation de phase liquide-liquide est attendue [5]. Nous chercherons dans un premier temps à préciser les conditions expérimentales permettant le développement d’une telle séparation de phase, en effectuant notamment des expériences de titrage de solutions carbonatées par des solutions de calcium, et en réalisant un suivi de la concentration calcique à l’aide d’une électrode ionique adaptée. Lorsque les conditions seront identifiées, nous réaliserons des synthèses de cristaux dans ces conditions, supposées biomimétiques, et collecterons les cristaux formés afin de les caractériser par des techniques de laboratoire (microscopies optiques, spectroscopies IR/Raman, diffusion/diffraction X) et de les comparer aux biocristaux calcaires. Nous envisageons ici l’utilisation d’un dispositif microfluidique permettant le mélange rapide et reproductible des espèces réactives.
Ce stage se déroulera dans le cadre d’un projet européen (3D-BIOMAT, ERC consolidator grant) développé en collaboration avec des physiciens de l’Institut Fresnel (UMR 7249, Marseille) et des biologistes de la station IFREMER de Polynésie française. Les résultats obtenus permettront d’avancer dans la formulation d’un modèle physico-chimique de la biocristallisation calcaire, but ultime de ce projet.

[1] H.A. Lowenstam and S. Weiner, On Biomineralization (New York), 1989.
[2] L. Addadi, et al., Z. Kristallogr., 227: 711, 2012.
[3] Y. Dauphin, Mineral. Mag., 72: 243, 2008.
[4] Y.-H. Tseng, et al., CrystEngComm, 16: 561, 2014.
[5] L. B. Gower, D. J. Odom, J. Cryst. Growth, 210: 719, 2000.
Living organisms are able to produce mineralized structures, or "hard tissues" (teeth, bones, exoskeletons, etc.), the shape and mechanical properties of which are fully adapted to the targeted biological functionality [1]. The fine understanding of the biomineralization mechanisms is actively being sought because it is a prerequisite for the development of bio-inspired pathways of synthesis allowing the development of new materials with very low energy input. Three characteristic features of calcareous biomineralization seem to emerge: (i) the precipitation of the mineral phase is always carried out under the control of organic macromolecules [1]; (ii) an amorphous mineral phase could appear transiently and would explain the observed complex morphologies [2]; (iii) all calcareous biocrystals exhibit a nanostructuring in the form of an assembly of granules, with a spheroidal shape and a characteristic size ranging from 50 to 500 nm [3].
We propose to use a physicochemical perspective to understand the generic mechanisms of biomineralization [4]. One current hypothesis is that, even before crystal nucleation, a liquid-liquid phase separation could generate a mineral-enriched liquid intermediate that would solidify and produce amorphous "granules". The subsequent assembly and crystallization of these granules would lead to the biocrystal in its final state, with a crystalline coherence extended to a few granules.
During this internship, we will test this hypothesis by implementing calcium carbonate mineralization experiments in the presence of organic macromolecules, for which a liquid-liquid phase separation is expected [5]. We will first try to specify the experimental conditions allowing the development of such a phase separation, in particular carrying out titration experiments of carbonated solutions by calcium solutions, and monitoring the calcium concentration at the same time using a suitable ion electrode. When conditions will be identified, we will synthesize crystals under these supposedly biomimetic conditions and we will collect the crystals formed for characterization using laboratory techniques (optical microscopies, IR / Raman spectroscopies, X-ray diffraction) and comparison with the calcareous biocrystals. Here the use of a microfluidic device allowing fast and reproducible mixing of the reactive species will be considered.
This internship will take place within the framework of a European project (3D-BIOMAT, ERC consolidator grant) developed in collaboration with physicists of the Fresnel Institute (UMR 7249, Marseille) and biologists of the IFREMER laboratory of French Polynesia. The obtained results will help in formulating a physicochemical model of calcareous biocrystallization, the ultimate goal of this project.

[1] H.A. Lowenstam and S. Weiner, On Biomineralization (New York), 1989.
[2] L. Addadi, et al., Z. Kristallogr., 227: 711, 2012.
[3] Y. Dauphin, Mineral. Mag., 72: 243, 2008.
[4] Y.-H. Tseng, et al., CrystEngComm, 16: 561, 2014.
[5] L. B. Gower, D. J. Odom, J. Cryst. Growth, 210: 719, 2000.

Mots clés/Keywords

croissance cristalline, nanosciences, biominéralisation
crystal growth; nanosciences, biomineralization

Compétences/Skills

Titrations chimiques et mesures sélectives d'ions (électrodes ioniques). Microscopie optique (biréfringence), électronique (SEM, TEM) et spectroscopies infrarouge/Raman, diffusion/diffraction X.
Chemical titrations and ion selective measurements (ion selective electrodes). Optical microscopy (birefringence), electron (SEM, TEM) and infrared / Raman spectroscopies, X-ray scattering / diffraction.

Logiciels

Windows - Logiciel standards de bureautique

 

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