Service de Physique de l'Etat Condensé

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Matière active : descriptions cinétiques et hydrodynamiques de suspensions denses de micronageurs
Active matter: kinetic and hydrodynamic descriptions of dense suspensions of microswimmers

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHATE Hugues
+33 1 69 08 73 46

Résumé/Summary

Nous avons récemment développé des simulations efficaces pour décrire le comportement collectif de particules simples (micro-nageurs) en suspension. Ces simulations sont susceptibles de générer des développements théoriques permettant une description continue, en termes cinétique ou hydrodynamique. Le sujet de stage, qui peut être poursuivi en doctorat, explorera les premières étapes de cette voie prometteuse. Le projet comprend également des collaborations directes avec des expérimentateurs travaillant sur des colonies bactériennes denses, à Hong Kong et Shanghai.
We have recently developed simple and numerically efficient particle-based models of suspensions of microswimmers that are amenable to theoretical treatments leading to continuous descriptions, either at the kinetic or at the hydrodynamic level. The internship, with a possible extension as a PhD, will explore the first steps on this promising route. The project also includes direct collaborations with experimentalists working on dense bacterial colonies, in Hong Kong and Shanghai.

Sujet détaillé/Full description

The past ten years have seen the emergence of Active Matter – composed of particles that convert energy from an ambient source into systematic movement -- as a distinct topic in nonequilibrium statistical physics, motivated mainly by the need to understand and imitate individual and collective motility.
It is fair to say that a satisfactory understanding has been reached for the case of ‘dry’ active matter, i.e. for situations where the fluid surrounding particles can be neglected (e.g. when they crawl on a substrate). For suspensions of swimmers (wet active matter), much remains to be done, in particular in connecting individual-based models to continuous theories. Particularly challenging is the case of dense suspensions.
We have recently developed simple and numerically efficient particle-based models that are amenable to kinetic theory treatments leading to continuous descriptions, either at the kinetic or at the hydrodynamic level. The internship, with a possible extension as a PhD, will explore the first steps on this promising route.
The project will also include direct collaborations with experimentalists working on dense bacterial colonies, in Hong Kong and Shanghai.
Reference:
Chen, Chong and Liu, Song and Shi, Xia-qing and Chaté, Hugues and Wu, Yilin, Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions, Nature 542, 210 (2017).
The past ten years have seen the emergence of Active Matter – composed of particles that convert energy from an ambient source into systematic movement -- as a distinct topic in nonequilibrium statistical physics, motivated mainly by the need to understand and imitate individual and collective motility.
It is fair to say that a satisfactory understanding has been reached for the case of ‘dry’ active matter, i.e. for situations where the fluid surrounding particles can be neglected (e.g. when they crawl on a substrate). For suspensions of swimmers (wet active matter), much remains to be done, in particular in connecting individual-based models to continuous theories. Particularly challenging is the case of dense suspensions.
We have recently developed simple and numerically efficient particle-based models that are amenable to kinetic theory treatments leading to continuous descriptions, either at the kinetic or at the hydrodynamic level. The internship, with a possible extension as a PhD, will explore the first steps on this promising route.
The project will also include direct collaborations with experimentalists working on dense bacterial colonies, in Hong Kong and Shanghai.
Reference:
Chen, Chong and Liu, Song and Shi, Xia-qing and Chaté, Hugues and Wu, Yilin, Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions, Nature 542, 210 (2017).
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Etude expérimentale de l’anomalie dissipative dans un écoulement turbulent

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

07-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary

Le projet de ce stage, qui se prolonge en sujet de thèse, est de participer à la mise en place du programme expérimental en PIV-3D, puis au post-traitement et à l'analyse des données expérimentales pour mettre en évidence d'éventuelles singularités du champs de vitesse (cf Problème du Millenium).

Sujet détaillé/Full description

L'anomalie de dissipation, discuté par G.I. Taylor dès 1935, traduit le fait que la dissipation d'énergie ne décroit par avec la viscosité, ou lorsqu'on augmente la turbulence, mais au contraire, tend vers une valeur asymptotique constante, a priori non universelle. Cette observation est à la base de la théorie de Kolmogorov de la turbulence. Elle a été utilisée en 1949 par Onsager pour tirer une conclusion remarquable: dans la limite de viscosité nulle, le champ de vitesse ne reste pas différentiable. Cela signifie que l'anomalie dissipative pourrait être connectée à l'existence de singularités dans l’équation de Navier-Stokes.

Les "singularités" sont définies comme des points où la vitesse du fluide n'est plus assez régulière pour satisfaire les équations de Navier-Stokes, i.e. n'est plus deux fois dérivable. Des travaux récents [D00] prouvent que cette question n’est pas que d’un intérêt purement mathématique, puisqu’ils mettent en évidence une dissipation d’énergie non visqueuse au voisinage de singularités. Cela pourrait expliquer en partie l’anomalie de dissipation, comme l’avait déjà fait remarquer Onsager [O49]. La quête des singularités dans les équations de Navier-Stokes représente un problème non résolu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, rendent ce problème de nouveau d’actualité. En effet, en utilisant les progrès récents dans la visualisation des écoulements expérimentaux turbulents, il est maintenant possible de sonder un écoulement turbulent à l’échelle de Kolmogorov, et de mesurer ses trois composantes avec une bonne statistique.

Un projet de recherche ANR a été obtenue en 2016 avec le Laboratoire de Mécanique de Lille et l'équipe SPHINX du CEA Saclay (B. Dubrulle, F. Daviaud) pour étudier les structures dissipatives et tenter de détecter la présence de singularités dans un écoulement turbulent de von Karman. L'équipe SPHINX possède une longue expérience avec ce type d'écoulement qui est un candidat idéal pour l'étude des singularités potentielles des équations de Navier Stokes. Nous proposons dans cette thèse d’utiliser cet écoulement forcé avec différents types de turbines, en particulier fractales. L’idée est de forcer le fluide à différentes échelles et fréquences d’excitation de manière à favoriser le développement d’éventuelles singularités. Nous essaierons d’obtenir des mesures directes des champs de vitesse en zoomant à plusieurs échelles, pour chercher dans l’espace des échelles les différentes structures responsables de l’anomalie dissipative. Dans le cadre de l'ANR, des mesures de Particle Image Velocimetry 2D et 3D serons réalisées et une nouvelle méthode d’analyse multi-échelles similaire à la transformée en ondelettes sera développée.

Ce stage et cette thèse, financée par le projet ANR, sera réalisée en étroite collaboration avec l'équipe SPHINX du CEA. Le programme de la thèse sera déroulera en parallèle de plusieurs thèses théorique, numérique & expérimentales déjà engagées sur la même problématiques de singularités des équations de Navier Stokes. Le projet de cette thèse est de participer à la mise en place du programme expérimental en PIV-3D, puis au post-traitement et à l'analyse des données expérimentales. La thèse, co-dirigée par J-P Laval (CNRS) et J.-M. Foucaut (Prof. Centrale Lille), requiert une solide formation théorique en mécanique des fluides et si possible en mécanique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation et l'analyse numérique. Des compétences en numérique (Fortran, C Matlab ou Python seront appréciées).

Mots clés/Keywords

Turbulence, mathématique, physique statistique

Compétences/Skills

Stage et thèse, co-dirigés par J-P Laval (CNRS) et J.-M. Foucaut (Prof. Centrale Lille), requierent une solide formation théorique en mécanique des fluides et si possible en mécanique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation et l'analyse numérique. Des compétences en numérique (Fortran, C Matlab ou Python seront appréciées).

Logiciels

Fortran, C Matlab ou Python
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Projet "ToughGlasses" : Amélioration de la réponse des verres d’oxydes à la corrosion sous contrainte
ToughGlasses: Researching tomorrow’s glasses today

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

2 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ROUNTREE Cindy
+33 1 69 08 26 55

Résumé/Summary

Ce "Projet de recherche conjoint - PRC" du CNRS est motivé par la nécessité d'évaluer puis améliorer la durabilité mécanique des verres. Les verres sont des matériaux indispensables dans les technologies qui nécessitent des matériaux résistant à la chaleur (panneaux de protection). On les trouve en particulier dans les techniques associées à la production d'énergie bas-carbone, ou permettant d'affronter des environnements hostiles (satellite spatial)....
Dans ces environnements, les verres subissent de nombreux dommages (craquage par corrosion sous contrainte, tempêtes de sable, irradiations externes, températures élevées ...) qui peuvent entraîner une défaillance prématurée et des modifications des propriétés physiques et mécaniques. Les verres qui subissent une séparation de phase amorphe sont connus pour être résistants à l'écrasement. Cependant, leurs propriétés de "fracture par corrosion sous contrainte (CSC)" sont encore trop peu connues. La question qui sera abordée est ici de comprendre comment le comportement de CSC en présence d'une phase amorphe démixée, comparée au verre natif.
This project is a fundamental CNRS-joint research project (PRC) motivated by the need to improve and assess the glasses’ mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts of heat resistant technologies, protection panels, low-carbon energies, satellites…. These systems and others undergo a variety of damage (stress corrosion cracking, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and alterations of the physical and mechanical properties. Glasses that undergo amorphous phase separation are known to be crush resistant. However, their Stress Corrosion Cracking (SCC) properties are outside the current knowledge available in literature. Hence, the question here how does the SCC behavior change in an amorphous phase separated glass versus is pristine counterpart.

Sujet détaillé/Full description

C’est un projet de recherche fondamentale (CNRS - Projets de recherche conjoints (PRC) ) motivé par la nécessité de prédire (puis contrôler et améliorer) l’effet de la composition chimique sur la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes font partie de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) subissant des sollicitations variées (corrosion sous contrainte, vents, irradiations, température élevée…) pouvant amener endommagement intempestif et/ou altération de leurs fonctionnalités. Or, si on connait bien l’effet de la composition chimique sur nombre de ses propriétés physiques (température de transition vitreuse, transparence, propriétés calorifiques…), peu de choses sont connues sur la façon dont cette composition impacte le comportement en rupture ou en corrosion sous contrainte.

Cette thèse se propose donc d’étudier la fracturation de plusieurs compositions de verres à base de SiO2-B2O3-Na2O dans la zone de démixtion. Pour ce faire, des fractures dont la vitesse est contrôlée par la contrainte externe et par le degré d’humidité ambiant seront initiées dans les échantillons et une caractérisation des surfaces fracturées sera réalisée post mortem par des observations à l’aide d’un AFM (Atomic Force Microscopy). Cette méthode, éprouvée depuis de longues années par le groupe, permet de mesurer l’enchaînement des différents régimes de rugosité avec la distance. Elle sera appliquée aux différents échantillons. Les modifications du processus de fracturation selon le changement de la composition des verres seront ainsi mises en évidence.

En parallèle aux expériences de fracturation, différentes analyses visant à caractériser les propriétés élastiques des échantillons (microscopie acoustique) ainsi que leurs structures (Raman, RMN, WAXS…) seront menées de manière à corréler le comportement à la fracturation des verres avec d’autres propriétés macroscopiques et microscopiques.
"ToughGlasses" is a fundamental research project motivated by the need to improve and assess glasses mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts our daily lives (buildings, cars, dishes…) along with being integral parts of heat resistant technologies, protection panels (smart phones, plasma screens…), low-carbon energies (protection for solar panels) and satellites in outer space to name a few. These systems and others undergo a variety of damage (consumer use, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and/or alterations of the physical and mechanical properties. Frequently, post-mortem failure studies reveal material flaws which were propagating via Stress Corrosion Cracking (SCC). A recent question arriving in the field has been: Can the Amorphous Phase Separation (APS) of SiO2-B2O3-Na2O (SBN) glasses provide the necessary structure to enhanced SCC behavior? ToughGlasses aim is to fill this gap and to unravel the secret behind enhanced SCC behavior.

The Ph.D. candidate will have the opportunity to study the physical, mechanical and stress-corrosion cracking properties of APS glasses. The primary objective of this study will be to observe stress corrosion crack propagation in situ and the analysis of fracture surfaces in several pristine and APS glasses. Hence, providing information on environmental limit of stress corrosion cracking and understanding of how the crack growth occurs in APS glasses. This method was previously used in our group to study the process zone size versus the crack front velocity in pure silica (SiO2) and several SBN samples. Repeating this study for SBN APS glasses compositions will aid in the understanding of how the physical structure of glasses alters the mechanical properties. In conjunction with the primary objective, the candidate will have the occasion to characterize the elastic properties of the samples and their structures (Raman, NMR spectroscopy, X-ray absorption …) with various collaborators including collaborators in CEA, DEN and University of Rennes. This will allow for a comparison of the fracture behavior of glasses with other macroscopic and microscopic properties.

Logistically, the PhD candidate will be co-advised by C. L. Rountree at CEA and F. Célarié at Université de Rennes 1. Glass formation and preliminary tests will occur at Université de Rennes 1 and stress corrosion cracking tests along with other tests will be carried out at CEA. In conclusion, the theme of this project is the comprehension of the source of the changes in the macroscopic property, and in particular how to control the stress corrosion cracking properties by varying the structure of glasses through Amorphous Phase Separation.

Mots clés/Keywords

Verre, AFM microscopie, Raman, RMN
Glasses, AFM, Raman, NMR, spectroscopy

Compétences/Skills

AFM, NMR, RAMAN
AFM, NMR, RAMAN

Logiciels

Matlab
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Mesure dynamique la puissance dissipée dans les écoulements turbulents
Dynamical measurement of the dissipated power in turbulent flows

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-03-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

AUMAITRE Sebastien
+33 1 69 08 74 37

Résumé/Summary

Cette thèse combinera des approches de pointe en optique et des mesures mécaniques afin de réaliser une mesure instantanée de la dissipation et des transferts d’énergie en turbulente . Elle permettra de répondre à des questions ouvertes et fondamentales en turbulence ayant des application dans nombreuses situations pratiques.
During this PhD thesis, we will combine mechanical measurements and advanced optical methods in order to estimate the instantaneous dissipation and the energy transfers in turbulent flows. It will allow us to answer some fondamental questions of turbulence that have many pratical applications.

Sujet détaillé/Full description

La turbulence est un processus non-linéaire qui dissipe de façon extrêmement efficace l’énergie cinétique d’un écoulement : l’énergie injectée aux grandes échelles est transférée à des échelles suffisamment petites pour que la viscosité la dissipe. Cette phénoménologie conduit aux lois de Kolmogorov qui décrivent les quantités turbulentes en moyenne temporelle.

Cependant, de nombreux processus physiques ne sont pas pilotés par ces quantités moyennes, mais pas leurs intenses fluctuations : l’efficacité du mélange turbulent dépend des gradients de vitesse, qui fluctuent fortement dans le temps. L’effort maximal sur une paroi dépend des fluctuations du gradient local de vitesse au voisinage immédiat de celle-ci. Enfin, les collisions entre gouttelettes d’eau dans un nuage, ou entre particules dans un disque proto-planétaire sont également gouvernées par la statistique des petites échelles de l’écoulement.

L’objectif de la thèse est donc de développer une méthode de mesure innovante pour déterminer la dynamique temporelle de la dissipation turbulente. L’approche expérimentale reste prépondérante en turbulence fluide car elle permet d’atteindre des régimes beaucoup plus fortement turbulents que la simulation numérique, avec un nombre de Reynolds 100 à 1000 fois plus grand. La difficulté est alors d’accéder aux petites échelles de ces écoulements de laboratoire.

Pour ce faire, nous proposons d’adapter une méthode issue de l’optique et de la physique des matériaux : après avoir ensemencé le fluide de particules, on imagera à l’aide d’une caméra ultra-rapide les champs de speckle issus de la diffusion multiple d’un laser cohérent. Les propriétés du champ de speckle sont alors directement liées à la statistique des gradients de vitesse de l’écoulement.

Cette méthode permet d’accéder à la dynamique temporelle de la dissipation turbulente, aussi bien dans la totalité du volume de l’écoulement que dans une couche limite turbulente. Elle sera couplée aux méthodes mesures de vitesse existantes (Particle Image Velocimetry, fils chauds, vélocimétrie acoustique Doppler) afin de caractériser les lois gouvernant la dynamique temporelle de la dissipation turbulente.

Cette thèse vise à combiner des approches de pointe en optique et en physique des matériaux afin de réaliser une mesure instantanée de la dissipation turbulente. Cette approche permettra de répondre à des questions ouvertes et fondamentales en turbulence fluide, qui trouvent des applications à de nombreuses situations pratiques.

Mots clés/Keywords

Turbulence, Système hors équilibre, Spectroscopie par diffusion multiple,

Logiciels

Matlab, LabView
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Forçage radiatif d'un écoulement convectif turbulent
Radiative forcing of turbulent thermal convection

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02-05-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Gallet Basile
+33 1 69 08 41 03

Résumé/Summary

Ce problème de physique fondamentale s'applique à de nombreux écoulements naturels. L'approche multi-méthodes - expérimentale, théorique et numérique - permettra au doctorant de développer une connaissance globale des outils de la physique non-linéaire et de la dynamique des fluides géophysiques.
Many natural convective flows are directly driven by a flux of light. This is a central ingredient of Geophysical Fluid Dynamics, which we will study using a combination of experimental, numerical and theoretical methods.

Sujet détaillé/Full description

De nombreux écoulements naturels ont pour origine la convection thermique : l’ensoleillement est plus important au voisinage de l’équateur qu’aux pôles de la Terre, ce qui engendre les intenses mouvements turbulents atmosphériques et les courants océaniques. De même, les écoulements à l’intérieur des planètes et des étoiles résultent de la forte différence de température entre le cœur et la surface de ces objets. Dans le bilan énergétique de ces écoulements, la quantité centrale est le transfert turbulent de chaleur : quelle est la capacité d’un écoulement convectif turbulent à transporter la chaleur d’une région chaude vers une région froide ?

Pour ces écoulements naturels le chauffage est souvent réalisé en volume, soit par décroissance radioactive (manteau terrestre), soit par transfert de photons (étoiles, océans, lacs) ou même de neutrinos (supernovæ). Un des objectifs du projet ERC FLAVE est donc de réaliser l'étude d’écoulements convectifs engendrés itérativement. Le Stagiaire / doctorant sera amené à combiner les approches expérimentale, numérique et théorique afin de caractériser le régime turbulent d'une telle convection radiative. L'objectif est la détermination de lois d’échelles qui pourront être extrapolées aux régimes planétaires et astrophysiques.

Cette thèse porte donc sur une problématique rencontrée dans de nombreux écoulements naturels. L'approche multi-méthodes - expérimentale, théorique et numérique - permettra au doctorant de développer une connaissance globale des outils de la physique non-linéaire et de la dynamique des fluides géophysiques. Il répondra à des questions de physique fondamentale qui trouvent des applications en géophysique, en océanographie et en astrophysique.

Mots clés/Keywords

Dynamique des fluides géophysiques, turbulence, physique non-linéaire.
Geophysical Fluid Dynamics, turbulence, nonlinear physics.

Compétences/Skills

Expériences de laboratoire (vélocimétrie, imagerie IR) Simulation numérique directe Développement asymptotiques
Lab experiments Direct Numerical Simulations Asymptotic methods
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Mouvement collectif : Coupler synchronisation interne et externe
Active matter : Coupling internal and external synchronization

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

06-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHATE Hugues
+33 1 69 08 73 46

Résumé/Summary

Sujet détaillé/Full description

Les modèles simples de mouvement collectifs peuvent être vus comme des systèmes pour lesquels les degrés de liberté orientationels cherchent à se synchroniser (de manière à ce que les particules se déplacent ensemble). De nombreux organismes actifs, vivants ou autopropulsés possèdent des degrés de liberté internes, modes d'oscillation, pouvant se synchroniser les uns avec les autres sous contact, puis influer le mouvement. Cela a par exemple été observé chez myxobacteria, qui, de temps en temps, inverse spontanément son mouvement: A densité élevée, ces renversements de mouvement peuvent se synchroniser, et amènent alors des effets collectifs dans le mouvement des groupes.
Le but du projet est de proposer un cadre théorique générale prenant en compte le couplage entre synchronisation de degrés de liberté internes et direction du mouvement. Un tel cadre générale fait actuellement défaut, au-delà des travaux spécifiques sur les myxobacteria. Des travaux récents dans le domaine de la "sociophysique", ont étudiés comment les contacts entre des marcheurs aléatoires peuvent créer des "réseaux sociaux" et comment, des populations composées de tels agents peuvent synchroniser leurs "opinions". Néanmoins, ces travaux ne prennent pas en compte le fait que le mouvement des agents peut lui-même être influencé par leur "opinion". En particulier, le cas d'une rétroaction de degrés de liberté internes sur le mouvement des particules n'a pas été exploré.
Dans un premier temps, il s'agira d'étudier des modèles minimaux pour lesquels des phénomènes non-triviaux émergent du coulage entre degrés de liberté internes et mouvement. Dans un deuxième temps, il s'agira de dériver des théories effectives continues de ces systèmes en utilisant différentes techniques analytiques et théoriques.
Références :
- Breaking symmetry in myxobacteria. OA Igoshin, D Kaiser, G Oster, Current Biology 14 (12), R459 (2004)
- K. Uriu, S. Ares, A. C. Oates, and L. G. Morelli, Phys. Biol. 9, 036006 (2012)
Simple models for collective motion can be seen as systems where orientational degrees of freedom (along which particles move) try to synchronize (in which case particles move together). Many active, living, self-propelled organisms also have internal oscillatory degrees of freedom which may themselves try to synchronize upon contact and that can have, in turn, some influence on motion. This has been observed for myxobacteria, which spontaneously reverse their walk from time to time: at high densities, these reversals can synchronize, leading to collective effects in the displacement of groups.
The goal of this project is to explore the general theoretical idea of a non-trivial two-way coupling between synchronization of internal degrees of freedom and direction of motion. So far, apart from works modeling the case of myxobacteria, no general framework has been proposed. Recent work, in "sociophysics", investigates how contacts between (random) walkers generate "social networks" and how populations of such moving agents can synchronize ";opinions" but the agent's motion is not influenced by the "opinion" they carry. The interesting case of a supplementary, reverse, feedback of internal degrees of freedom on the motion of particles has not been explored.
Starting from the case of myxobacteria, the project will consist of studying minimal models displaying non-trivial emergent phenomena due to the two-way coupling of internal degrees of freedom and motion. In a second stage, continuous effective theories of these systems will be derived and studied, using various analytical and numerical techniques.
References:
- Breaking symmetry in myxobacteria. OA Igoshin, D Kaiser, G Oster, Current Biology 14 (12), R459 (2004)
- K. Uriu, S. Ares, A. C. Oates, and L. G. Morelli, Phys. Biol. 9, 036006 (2012)
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Influence de la vitesse de séchage sur les rugosités de surface d'un film formé par évaporation de suspensions colloïdales
Effect of evaporation rate onto the surface roughness in film formed by drying colloidal suspensions

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

05-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary

Il s'agit ici de comprendre, au travers d'expériences sur une suspension colloïdale modèle, comment la vitesse d’évaporation sélectionne l'organisation statistique des rugosité de surface sur les films obtenus après séchage . L'interprétation de ces expériences à l'aide de certains formalismes récents de physique statistique nous permettra alors de mieux comprendre les lois régissant l’interaction entre colloïdes et leur évolution au cours du séchage.
The goal is to understand, through experiments on model colloidal suspensions, how the evaporation rate selects the way roughness get organized at the surface of films formed by drying. The interpretation of these experiments with some recent formalisms from statistical physics will then provide a better understanding of the laws uncovering the interaction between colloids and their evolution during drying.

Sujet détaillé/Full description

Le séchage d’une couche de suspension colloïdale conduit à la formation d’un film solide plus ou moins poreux, plus ou moins transparent et plus ou moins sensible à la fracturation. Ce procédé est au cœur de nombreuses applications industrielles : procédé sol-gel de fabrication des verres, céramiques, nanocomposites ou hybrides organo-minéraux dans l’industrie chimique et médicale, peintures et vernis de protection dans les domaines verriers et aéronautiques, plâtres et bétons haute performance dans le génie civil... De fait, comprendre pour ensuite contrôler les mécanismes qui régissent la résistance, la porosité, la rigidité et les propriétés optiques du film obtenu représente un défi d’importance. Ces propriétés macroscopiques traduisent de manière fine la façon dont les particules colloïdales intéragissent et s’organisent au cours du séchage.

L’objectif de ce stage est d’étudier, sur une suspension colloïdale modèle (billes de silice nanométrique en suspension dans l’eau), l’influence de la vitesse d’évaporation sur ces mécanismes d’auto-organisation, au prisme des rugosités de surface et de leur organisation statistique. Des formalismes récemment développés en physique statistique (modèles dits de croissance d’interfaces rugueuses) permettent en effet de relier certaines propriétés morphologiques particulières, comme la dimension fractale, l’exposant de Hurst, le spectre de Fourier… à l’agitation thermique et aux lois régissant l’interaction entre les colloïdes. Certaines corrugations observées sur la surface à haute vitesse de séchage pourraient traduire une instabilité de flambage sous-jacente, et par suite nous informer sur le niveau de contrainte induit pendant le séchage.

Ce sujet de stage, fortement pluridisciplinaire, se situe à l’interface entre matière molle, physique statistique et mécanique des matériaux. Le candidat retenu aura l’opportunité de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines et bénéficiera pour cela d’un encadrement fortement pluridisciplinaire incluant des chercheurs aux expertises couvrant ces trois domaines.

Mots clés/Keywords

Physique Statistique, fluides complexes, suspensions colloidales
Statistical physics, complex fluids, colloids

Compétences/Skills

Expérience modèle Imagerie Profilomètrie Analyse statistique
Model experiments Imaging Profilometry Statistical analysis
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Physique (statistique) de la rupture quasi-fragile: comment prévoir l’endommagement des solides hétérogènes?
(Statistical) physics of quasi-brittle fracture: How to predict damaging in heterogeneous solids?

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

13-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary

Prévoir quand et comment les matériaux hétérogènes (roches, bois ou bétons par exemple) cassent est un enjeu central dans de nombreux domaines. Cela reste difficile -- ces matériaux commencent par se micro-endommager de manière imperceptible avant de casser brutalement. Il s'agit ici de combiner expériences et simulations originales pour élucider les mécanismes sous-jacents à la formation des microfissures, puis leur organisation jusqu’à la ruine finale.
Anticipating when and how heterogeneous materials (rocks, wood or concrete for example) fail is central issue to many fields. This remains difficult - these materials start by damaging in a imperceptible manner, before breaking brutally. The aim here is to combine original experiments and simulations to elucidate the mechanisms underlying the formation of microcracks and their subsequent organization til the final ruin of the structure.

Sujet détaillé/Full description

Prévoir où, quand et comment un matériau va se rompre constitue un enjeu majeur dans de nombreux domaines industriels et géophysique. Et cela n'est malheureusement pas une mince affaire : les roches, le bois, les bétons, les céramiques et plus généralement les matériaux dit quasi-fragiles commencent par se micro-endommager de manière quasi-imperceptible avant de casser brutalement. Les tremblements de terre, les éboulements de terrain et les effondrements de bâtiment rappellent de manière tragique notre dénuement actuel en termes d'outils prédictifs dans ce domaine

Le sujet de thèse proposé ici s'inscrit dans ce contexte. La complexité provient des nombreuses échelles de longueurs et de temps impliquées dans le problème. Leur couplage ne peut pas être correctement pris en compte dans les approches milieux continus traditionnelles. En revanche, ces vingt dernières années ont vu l’émergence de formalismes théoriques nouveaux, issus de la physique statistique et non-linéaire, qui semblent prometteurs. Mais à l'heure actuelle, ces développements restent théoriques et numériques, confinés à des situations très simples, bien loin des cas réels.

Nous proposons ici de mettre en place des expériences bien contrôlées sur des matériaux modèles transparents et de microstructure modulable, de manière à pouvoir suivre en temps réel les microfissures qui se développent au cours de leur mise en contrainte, et de caractériser les mécanismes qui régissent leur organisation dans l’espace et le temps, jusqu’à la rupture globale. Ces expériences permettront de combler le gap entre ces approches théoriques et les matériaux réels d’intérêt technologique ou géophysique.

Ce sujet de thèse met en jeux des notions appartenant à la fois à la physique statistique, la mécanique des milieux continus et la géoscience -- le candidat retenu aura l’opportunité de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines. Le sujet s'inscrit aussi dans un projet en cours de montage impliquant différents laboratoires issus de ces trois domaines : laboratoire de Mécanique et Génie Civile (LMGC) à Montpellier, Institut des Sciences de la Terre (ISTerre) à Grenoble et laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH) à Paris. Cet environnement pluridisciplinaire aidera le candidat à trouver à l’issue de la thèse de nombreux débouchés dans le monde académique ou dans l’industrie.

Mots clés/Keywords

Fracture,

Compétences/Skills

Mécanique expérimentale, imagerie, analyse statistique, description stochastiques
Experimental mechanics, optical imaging, statistical analysis, stochastic description

 

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