Seminars at UMET

https://evento.renater.fr/survey/journee-d-integration-umet-2019-qt05yetz

Programme de la journée

8h30-9h00 : Coffee - Bâtiment Chevreul

9h00-9h15 : General presentation of UMET - Frédéric Affouard - Amphi Bâtiment Chevreul

9h15-9h45 : Presentation of the Teams (ISP, Valérie Gaucher; MMT, Frédéric Affouard; MTP, Jannick Ingrin; Pasticity, Alexandre Mussi; MPGM, Ingrid Proriol-Serre; PIHM, Guillaume Delaplace) - Amphi Bâtiment Chevreul

9h45-11h00 : Presentation of first year PhD students (3min per student) - Amphi Bâtiment Chevreul

11h00-12h00  : Visit of the Laboratory - C7/C6

12h00-14h00 : Lunch (shared meals - UMET will take in charge the drinks) - Room 202, C6

14h00-18h00 : External activities (only for PhD Students)

References
[1] – A. Guitton, S. Van Petegem, C. Tromas, A. Joulain, H. Van Swygenhoven, L. Thilly, App. Phys. Lett. 24, (2014).
[2] – S. Van Petegem, A. Guitton, M. Dupraz, A. Bollhalder, K. Sofinowski, M.V. Upadhyay, H. Van Swygenhoven, L. Thilly, Exp. Mecha. 57, (2017).
[3] – G.P. Bei, A. Guitton, A. Joulain, V. Brunet, S. Dubois, L. Thilly, C. Tromas, Philos. Mag. 93, (2013).
[4] – A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, C. Tromas, Philos. Mag. 92, (2012).
[5] – A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, C. Tromas, Sci. Rep. 4, (2014).
[6] – K. Gourriet, P. Carrez, P. Cordier, A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, C. Tromas, Philos. Mag. 95, (2015).
[7] – H. Mansour, J. Guyon, M.A. Crimp, N. Gey, B. Beausir, N. Maloufi, Scripta. Mater. 84-85, (2014).
[8] – J. Guyon, H. Mansour, N. Gey, M.A. Crimp, S. Chalal, N. Maloufi, Ultramicroscopy 149, (2015).
[9] – H. Kriaa, A. Guitton, N. Maloufi, Sci. Rep. 7, (2017).
[10] – H. Kriaa, A. Guitton, N. Maloufi, Materials 12, (2019).
[11] – A. Guitton, H. Kriaa, N. Maloufi, Materials 11, (2018).
[12] – M. Ben Haj Slama, N. Maloufi, J. Guyon, S. Bahi, L. Weiss, A. Guitton, Materials 12, (2019).
[13] – M. Ben Haj Slama, N. Maloufi, V. Taupin, A.D. Rollett, A. Guitton, to be submitted (2019). »

[1] George, E. P., Raabe, D. & Ritchie, R. O. (2019). Nature Reviews Materials 4, 515-534.
[2] Manzoni, A. M. & Glatzel, U. (2019). Mater Charact 147, 512-532.
[3] Miracle, D. B. & Senkov, O. N. (2017). Acta Materialia 122, 448-511.

Lors du processus d’élaboration d'un médicament, les scientifiques sont confrontés à l’optimisation de la biodisponibilité du principe actif (PA), de la stabilité de son état physique, et de son profil de libération. Les matrices mésoporeuses à bases de silice (MPSs) sont reconnues être des systèmes à libération contrôlée prometteurs dans la mesure où ils permettent la stabilisation de l’état amorphe par confinement des PAs à l’échelle nanométrique, la fonctionnalisation de la surface des canaux permettant de modifier leur profil de libération. Cependant, les méthodes de chargement existantes constituent un verrou technologique important pour une application dans le domaine pharmaceutique, incompatible avec l’utilisation de solvants toxiques (chargement par imprégnation) ou avec des traitements thermiques pouvant dégrader certaines liaisons chimiques (chargement par fusion).

Nous avons développé dans le cadre de cette thèse une nouvelle méthode de chargement des PAs dans les MPSs par co-broyage. Les conditions de chargement (temps de broyage, taux de chargement) ont été optimisées sur plusieurs molécules organiques. Cette méthode de chargement a permis d’explorer de nouveaux états physiques confinés (nano-micro cristallins, amorphes) inaccessibles par d’autres méthodes de chargement, ainsi que leur transformation, en utilisant des méthodes spectroscopiques innovantes. Cette méthode de chargement a également permis d’analyser l’influence de plusieurs paramètres (taille de pores, taux de chargement) sur l’état physique confiné et sa stabilité. Le croisement de différents types d’analyses sur plusieurs PAs confinés a permis de décrire la distribution du degré de cristallinité au sein des pores et l’influence de l’effet de surface sur cette répartition plus ou moins homogène des différents types d’organisations moléculaires. Le contrôle du taux de chargement a permis de mettre en évidence une relation étroite entre effets de surface et de taille finie sur la dynamique moléculaire sondée par spectroscopie de relaxation diélectrique.

Des premières analyses de libération ont montré l’intérêt de pouvoir sélectionner la nature de l’état physique confiné sur le contrôle du profil de libération. Ces analyses ont permis de corroborer les modèles de distribution de la matière plus ou moins cristallisée au sein des pores.

Ce travail constitue une première étape importante dans l’élaboration de systèmes à libération intelligents.

La modélisation de la rupture est une problématique multi échelle dans laquelle les calculs à l’échelle atomiques permettent d’obtenir de précieuses informations sur les arrangements atomiques et les ruptures de liaisons au plus près de la zone d’intérêt. Dans le cadre de la rupture intergranulaire des matériaux métalliques, nous nous sommes focalisés sur l’étude ab initio d’un joint de grain de torsion de type Σ5 autour de la direction [100] dans la structure cubique faces centrées de l’aluminium. Afin d’extraire une contrainte et une déformation de cohésion fiables du joint de grain, les courbes de traction/séparation doivent être obtenues par deux approches combinées : la traction du joint de grain à proprement parler (système avant rupture) et le rapprochement de deux grains rigides séparés (système déjà rompu) [1, 2]. Par ailleurs, une méthodologie permettant de circonvenir au problème de convergence inhérent à ces calculs a été développée [3]. Elle repose sur le fait de définir et de restreindre le calcul dans la zone localement affectée par le joint de grain. Enfin, dans le cadre de la fragilisation par l’hydrogène, les évolutions des énergies de formation de l’H dans les sites non équivalents (unités structurales) autour de ce joint Σ5 ont été calculées en fonction de la déformation de traction. Elles démontrent une tendance à la ségrégation de l’H sur le joint de grain qui conduit à une rupture prématurée.

[1] Van der Ven A. And Ceder G. Acta Materialia 52 (2004) 1223.

[2] Ehlers, FJH et al., Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 24 (2016) 085014

[3] Ehlers, FJH et al., Comput. Mater. Sci., 139 (2017) 39

Ce travail a été financé par le Labex SEAM (Science and Engineering for Advanced Materials and devices), ANR 11 LABX 086, ANR 11 IDEX 05 02 et le projet MMEMI

Au cours des dix dernières années, la production et la consommation des plastiques ont largement augmenté dans le monde en raison de la diversité des applications qui concernent l’emballage, l’agriculture, l’automobile ou encore la construction. Près de 350 millions de tonnes de plastiques ont été produits dans le monde en 2017 dont environ 65 millions de tonnes en Europe générant une quantité de déchets de plus de 27 millions de tonnes. La valorisation de ces déchets par recyclage mécanique ou par incinération constitue aujourd’hui les solutions privilégiées mais présentent un certain nombre de limitations. Le recyclage chimique par pyrolyse thermique et catalytique apparait donc comme une alternative intéressante.

Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse ont été focalisés sur l’étude de la pyrolyse des plastiques les plus utilisés dans les emballages et en particulier du polyéthylène (PE), du polypropylène (PP), du polystyrène (PS) et du polyéthylène téréphtalate (PET). La décomposition thermique des polymères vierges et d’un mélange modèle représentatif des déchets plastiques a été étudiée à deux échelles (mg par analyse thermogravimétrique et g à l’aide d’un réacteur de Laboratoire de pyrolyse flash). Le rendement en fraction liquide ainsi que sa composition ont été analysés dans le but d’étudier les interactions potentielles entre polymères dans le mélange modèle. Il a été montré que l’interaction entre les polymères conduit à une accélération du procédé et favorise la formation d’aromatiques. L’utilisation d’un catalyseur de type zéolithe (ZSM-5) lors de la pyrolyse catalytique du PE, polymère le plus utilisé dans l’emballage, a ensuite été envisagée. Nous avons montré que cela conduit à une distribution de produits plus restreintes. La quantité de catalyseur a été optimisée et l’effet de l’acidité de la ZSM-5 étudié. Ces travaux ont permis de conclure que la ZSM-5 la plus acide favorise la formation de composés aromatiques et spécifiquement de produits possédant de 6 à 12 carbones (coupes C6 à C12). La désactivation et la régénération de la ZSM-5 au cours et après pyrolyse ont également été étudiées. L’efficacité de la régénération du catalyseur après plusieurs cycles d’utilisation a été démontrée. Enfin, la synthèse de différents catalyseurs présentant des structures et des acidités spécifiques a été envisagée. Il a été prouvé que ces paramètres jouent un rôle primordial dans le rendement en phase liquide ainsi que dans la sélectivité des réactions de décomposition du PE.

Polymeric materials have been increasingly used as replacement for other types of materials such as ceramics or metals. However, most polymers have a serious drawback: they need to be fire retarded. Nevertheless, thanks to advanced research in the field, high performance materials that resist high temperatures and fire scenarios have been developed. While these materials have extremely enviable properties, they are also very expensive. The aim of this PhD is to understand the fire behavior of high-performance polymers and design fire retardants that would mimic these high-performance materials under extreme heat or fire. To do so, the thermal and fire behavior of three high performance materials were studied: polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), and polybenzoxazole (PBO). Their thermal decomposition pathways were evaluated thanks to high temperature analytical techniques like pyrolysis-GC/MS and TGA-FTIR. Model based kinetics of the thermal decomposition of these polymeric materials were also elucidated by using dynamic TGA under three different atmospheres (nitrogen, 2% oxygen, and air). These provided insight regarding the thermal behavior high performance polymers, which were used to conceptualize novel potential fire retardants. Therefore, a series of fire retardants that have demonstrated similar behaviors as high performance polymers in fire scenarios were synthesized. These fire retardants include a Schiff base: salen and its derivatives, as well as some of their metal complexes. The thermal behavior and fire performances of these fire retardants were evaluated in two polymeric materials using a relatively low loading (< 10 wt%): thermoplastic polyurethane, and polyamide 6. While some of the fire retardants had little effect, in terms of fire retardancy, some candidates showed a significant improvement in terms of peak of heat release rate. This reverse approach towards designing fire retardants has shown some promise and can be used as a complementary method for the design of high-performance materials at lower cost.

La formulation des principes actifs (PA) pharmaceutiques à l'état amorphe est une préoccupation majeure actuelle du génie pharmaceutique car elle permet d'améliorer la solubilité des (PA) peu solubles. Son optimisation requiert une parfaite connaissance de la courbe de solubilité du (PA) dans le polymère, de manière à définir le taux maximum de (PA) pouvant être chargé dans le polymère sans risque de recristallisation ultérieure. La détermination de cette courbe de solubilité est cependant extrêmement difficile en raison de la forte viscosité des polymères qui rend les états saturés très difficiles à atteindre.

Dans cette thèse, nous présentons une méthode efficace de détermination des courbes de solubilité qui permet de s'affranchir des limitations cinétiques liées à la viscosité. L'idée générale est d'utiliser des dispersions moléculaires et cristallines (DMC) dans lesquelles le (PA) est dispersé dans le polymère, en partie au niveau moléculaire et en partie sous la forme de minuscules cristallites. Cette microstructure particulière augmente considérablement la vitesse de dissolution des cristallites puisque : (1) La dispersion moléculaire a un effet plastifiant qui augmente considérablement la mobilité moléculaire dans la matrice amorphe. (2) La fine dispersion des cristallites réduit fortement les distances sur lesquelles les molécules de PA doivent diffuser pour envahir le polymère. La méthode a été mise au point et testée sur deux (PA) (le sulindac et le paracétamol) et un polymère (le polyvinylpyrrolidon).

L'étude des courbes de solubilité nous a par ailleurs permis de préciser le polymorphisme du sulindac et du paracétamol, et en particulier les relations de stabilité des polymorphes étudiés.

Les chondrites primitives sont les témoins de l’accrétion des astéroïdes. Elles sont constituées de composants de haute température (principalement des chondres de taille ~ 50 μm-1 mm) et d’une matrice fine interstitielle, riche en éléments volatils, tels que l’eau et la matière organique. Les couronnes à grains fins se situent à l’interface entre les chondres et la matrice et sont porteuses d’informations essentielles sur l’accrétion et la formation des astéroïdes. Pourtant, les études réalisées jusqu’ici n’ont pas permis de révéler l’origine des différences entre couronnes et matrice. Ceci est lié d’une part à la faible taille de grain et à l’hétérogénéité de cesassemblages qui les rendent difficiles à analyser, et d’autre part aux processus corps parents (altération aqueuse, métamorphisme) qui les ont modifiés par la suite. Cette thèse a donc pour objectif de (1) développer une méthodologie analytique quantitative pour l’étude des assemblages hétérogènes submicrométriques basée sur la microscopie électronique et couplée à des procédures de traitement de données hyperspectrales ; (2) réaliser une étude comparative des couronnes à grains fins et de la matrice adjacente dans les météorites les plus primitives (faible altération/métamorphisme ; Paris, Semarkona, DOM 08006 et QUE 99177); (3) proposer un scénario de formation pour les couronnes des chondres et apporter des nouvelles contraintes sur les premières étapes de l’accrétion des solides dans le disque proto-planétaire. La comparaison multi-échelle matrice/couronnes et l’utilisation des abondances modales des phases, de leurs morphologies et de leurs compositions chimiques nous ont permis de contraindre la nature des précurseurs accrétés dans les chondrites et de remonter aux processus secondaires les ayant modifiés. Nous montrons que la poussière silicatée du disque se situant dans l’environnement proche de la région de formation des chondres a été thermiquement modifiée et compactée à la surface des chondres avant d’être incorporée avec le reste de la matrice pour former les premiers astéroïdes. Nous en concluons que cette étape est à l’origine des différences entre couronnes et matrice. Ces résultats pourraient permettre de faire le lien entre les observations pétrographiques et les modèles astrophysiques de l’accrétion des premiers astéroïdes.

Abstract :
The convection of the earth’s mantle rocks is the driver of our planet’s cooling. This internal dynamics produces an intense geological activity on the surface: the continental drift. To understand plate tectonics, it is necessary to study the plasticity of the minerals that constitutes the mantle. Plastic deformations are mainly governed by the dislocation motion. The transmission electron microscope (TEM) is the most suitable tool for the fundamental study of these nanometric linear defects. My research focuses mostly on the study of mantle mineral plasticity by the MET characterizations of dislocation microstructures. In-depth analyses make it possible to obtain semi-quantitative or even quantitative information on plastic deformation mechanisms.
Plate tectonic activity is mainly concentrated in subduction zones. Some plates tend to dive rapidly into the mantle, carrying with them hydrated phases that, with pressure and temperature, transform into dense hydrous magnesium silicates (DHMS). The study of these phases has a double interest: to inform us about the fate of water in the mantle and to check whether the properties of deformation accommodation, such as silent earthquakes, are preserved in depth. Given the high sensitivity of these phases to the electron beam, we have developed a methodology to characterize DHMS with MET.
Despite more than 50 years of study, the plastic deformation mechanisms of olivine which is the major mineral phase of the upper mantle remain confused. In the upper part of the lithosphere, the high lattice friction leads to linear dislocation configurations inducing a difficult access to slip systems, while in the lower part of the upper mantle, some multiple interactions and three-dimensional aspects of dislocations considerably limit the interpretation of plastic deformation mechanisms. We therefore decided to develop dislocation transmission electron tomography (DTET) to see these dislocation microstructures from a new perspective. This technique clearly exceeded our expectations: in addition to providing a statistical, and therefore quantitative aspect to plasticity with MET, through slip systems, DTET allowed us to characterize complex mechanisms of dislocation interactions and to quantify the part of sliding, climbing and cross-slipping during deformation.
High temperature/high pressure press are currently used to synthesize and deform large samples under upper mantle conditions (by large we mean samples with a volume of a fraction of mm3). Devices where plastic deformation is controlled (Deformation DIA, rotational Drickamer apparatus) generally produce high strains, resulting in dislocation densities greater than 1015 m-2. Given the dislocation contrast overlapping, their analyses are difficult if not impossible for such dislocation densities. Keeping in mind that plastic deformations are intimately linked to crystalline disorientations, we have undertaken the analysis of misorientation maps to solve this deadlock.
These research activities are presented in the first part of this manuscript. The second section deals with my future research projects in the short, medium and long terms. Finally, the last part of this document describes my scientific background and the detailed list of my collective responsibilities, articles and communications.

Polymer nanocomposites are mixtures of nanoparticles (NPs) and polymer chains, where the filler particles are usually added to enhance mechanical properties, e.g. of car tire materials. Performance depends to a great extent on the structure of the filler, i.e. its dispersion state in the polymer matrix, which itself depends on mixing protocols, but also on the thermodynamics of the system. The latter can be tuned via the surface-modification of the nanoparticles by grafting small hydrophobic molecules (coating agents), which promote the filler-polymer compatibility. In this talk, different ways to obtain information from small-angle scattering on the structure of nanocomposites will be presented using either the recently proposed correlation hole analysis [1] or reverse Monte-Carlo (RMC) analysis giving access to aggregate mass distributions [2].

In particular, we will review recent results on model nanocomposites – and their industrial counterparts – using surface-modified silica NPs with different types of silane groups (tri-ethoxy or mono-methoxy) and silanes of different lengths. To describe NP structure in solvents and after casting in a polymer matrix, we propose a new method which combines SAXS, RMC and aggregate recognition analysis [2]. This analysis suggests that silane molecules with trifunctional grafting functions lead to the formation of polycondensed patches (i.e., reaction of lateral groups with neighboring molecules) on silica surface, favoring attractive interactions. Finally, regarding chain structure, a quick outlook on why contrast-matching with SANS in nanocomposites often fails will be proposed [3].

[1]  A.-C. Genix and J. Oberdisse, Soft Matter 2017, 13, 8144.
[2]  D. Musino, A.-C. Genix, T. Chaussée, L. Guy, N. Meissner, R. Kozak, T. Bizien, J. Oberdisse, Langmuir 2018, 34, 3010.
[3]  A. Banc, A.-C. Genix, C. Dupas, M. Sztucki, R. Schweins, M.-S. Appavou, J. Oberdisse, Macromolecules 2015, 48, 6596.

All rocky planets of the solar system except Venus show evidence of past or recent core dynamics, with either evidence for a past magnetization or an active magnetic field generation. For the Earth, the generation of the geodynamo is considered to be closely related to the evolution of the inner core. As the solid inner core freezes from the iron-alloy constituting the outer core, heat and light elements are released at the inner core boundary, driving a turbulent convection. Similarly, the magnetic fields in the other planets are thought to be driven by buoyancy released as the planets are cooling, either from the core-mantle boundary heat flows or from the freezing of an inner core.

As the Earth's inner core is the only inner core we can observe from direct seismic observations, it is the best place to understand the long term evolution of the core since its formation and the processes in the planetary cores. I will discuss here two projects related to the Earth's inner core and some implications for other planetary inner cores. I will first present how the combination of geodynamics, seismic observations and mineral physics properties can help us to understand the inner core dynamics and constrain some of the high pressure properties of iron alloy. I will then discuss the implications of (unefficient) compaction for planetary inner cores and how liquid can be trapped in depth, reducing the buoyancy fluxes released by inner core growth and the energy available for driving a dynamo.

Should manned deep space exploration missions happen in the near future, many safety issues must be solved. As astronauts will be confined for a long duration in an environment with limited resources, there is a crucial need to prevent any damage to the structure by an accidental event such as a fire. This requires the careful development of material and procedures to minimize the risk of a fire. As a result, fundamental understanding of the heat and mass transfer processes that drive ignition and flame spread in microgravity is re- quired to reduce a lengthy and costly systematic characterization of material flammability in microgravity. In order to run experiments in this unusual en- vironment, a combustion chamber has been developed at Sorbonne Université by a team of scientists and engineers [1]. It allows the investigations on flames spreading over polyethylene coated wires on Novespace A310 ZeroG parabolic flights. The chamber enables the control of the pressure, oxygen concentration and the velocity of the flow rate surrounding the samples.

In this talk, I will describe the experimental setup, and show how a series of optical tools has been designed to evaluate the impact of these flow parame- ters on flame spread properties in microgravity. Basic image processing leads to the determination of flame existence domain; as well as flame spread rate, flame topology and smoke point in the case of propagation. As soot production and transport processes are also deeply a↵ected by the absence of buoyancy [2], specific attention is given to soot characterization. Inspired by the laser- based Modulated Absorption/Emission (MAE) technique, a new methodology was specially developed to map soot volume fraction, soot temperature and soot radiative heat losses using a broadband compact setup that fits strict compacity requirements [3].

I will finally share some key results of the flight campaigns, and illustrate how we can upgrade fire safety in a spacecraft.

[1] J.M. Citerne, H Dutilleul, K Kizawa, M Nagachi, O Fujita, M. Kikuchi, G. Jomaas,S. Rouvreau, J.L. Torero, G. Legros, Fire safety in space – Inves- tigating flame spread interaction over wires, Acta Astr., 126 500–509 (2016).
[2] G. Legros, J.L.Torero, Phenomenological model of soot production inside a non-buoyant laminar di↵usion flame, Proc. Combust. Inst. 35 (2015).
[3] A. Guibaud, J.M. Citerne, J.M. Orlach, O. Fujita, J.L. Consalvi, J.L. Torero, G. Legros, Broadband modulated absorption/emission technique to probe sooting flames: Implementation, validation, and limitations, Proc. Combust. Inst., 37 1540–7489 (2018).

• Lundi 4 mars 2019
  • 14h00-15h30: Présentation  de l’Unité
  • 15h30-17h00: Présentations des équipes MMT et MTP
  • 17h00-18h00: Entretien à huis-clos avec les doctorants
• Mardi 5 mars 2019
  • 9h00-10h15: Présentations des équipes Pl et MPGM
  • 10h15-10h45: Entretien à huis-clos avec les chercheurs et enseignants chercheurs
  • 11h15-12h15: Présentation de l'équipe ISP
  • 14h00-14h30: Présentation de l'équipe PIHM
  • 14h30-15h30: Entretien à huis-clos avec les personnels d'appui à la recherche
  • 16h15-16h45: Visite du bâtiment Chevreul
  • 16h45-18h15: Visite du laboratoire et discussions avec les équipe
• Mercredi 6 mars 2019
  • 9h00-10h30: Entretien à huis-clos avec les représentants des tutelles
  • 10h30-11h00: Entretien à huis-clos avec le directeur d'unité

• Lundi 4 mars 2019
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Étant donné leur capacité de se dégrader à l'intérieur du corps, les implants biodégradables ont fait l'objet de nombreuses recherches médicales. Parmi tous les matériaux, c'est le magnésium, un élément indispensable du corps humain, qui conduit aux résultats les plus favorables car son module d'Young est similaire à celui de l'os. Comme le magnésium pur se corrode relativement rapidement, il est indispensable de lui ajouter certains éléments d'alliage ou de le revêtir afin d’augmenter sa résistance à la corrosion. Bien que de nombreuses recherches soient menées dans ce domaine depuis plus de deux décennies, seuls quelques implants dégradables à base de Mg sont disponibles dans le commerce. De ce fait, les méthodes adoptées afin d'améliorer le comportement du magnésium pur vis-à-vis de la corrosion sont les suivantes: a) Ajout d'éléments d'alliage comme le zinc, le calcium et l'erbium (Mg-2Zn-2Er, Mg-2Zn-0.6Ca-1Er, etc.) pour contrôler le comportement de dégradation b) Procédés secondaires tels que l'extrusion pour modifier sa microstructure c) Revêtements de surface à base de fluorure pour mieux protéger la surface Les éléments d'alliage et les revêtements, doivent être choisir afin de minimiser la toxicité et les coûts, et de ne pas altérer les propriétés bénéfiques du magnésium. Dans cette étude, la synthèse de Mg pur et d'alliages a été réalisée en utilisant la technique de « Disintegrated melt deposition » (DMD), suivie d'une extrusion à chaud. La première partie de cette thèse porte sur la caractérisation microstructurale d'alliages. Des microstructures à grains fins équiaxes ont été obtenues pour le magnésium pur et ses alliages extrudés alors que des microstructures à grains grossiers ont été développées pour les matériaux DMDed. Les phases secondaires sont uniformément réparties dans les microstructures extrudées des alliages. La caractérisation microstructurale (DRX et TEM) révèle la présence de MgZn2, de phases W (Mg3Zn3Er2) et de phases i (Mg3Zn6Er) dans différents alliages. L’évaluation des propriétés mécaniques a révélé une augmentation des propriétés de traction et de compression des alliages ternaires et quaternaires par rapport aux alliages de Mg et de Mg-2Zn. Ces propriétés mécaniques améliorées sont attribuées à une réduction de la taille des grains, à la présence d'atomes de soluté et à des phases secondaires. Les analyses des facies de rupture des alliages révèlent des cupules qui indiquent une amélioration du comportement en matière de ductilité, ainsi que la présence de macles dans la zone proche de la région fracturée, comme le montre l'analyse par EBSD. Les études sur le comportement d'amortissement ont montré que le module d'élasticité des alliages correspond à celui du magnésium pur, ce qui est bénéfique pour les applications biomédicales. Le comportement à la corrosion de ces alliages dans un fluide corporel simulé à 37 °C a été étudié à l'aide de plusieurs techniques telles que les études d'évolution de l'hydrogène, polarisation potentiodynamique, etc. Les alliages As-DMDed ont présenté un taux de corrosion excessif en raison d'une microstructure à taille de grains grossière, d'hétérogénéités notamment de porosités et de ségrégation d'éléments tandis que les alliages extrudés présentaient une résistance à la corrosion améliorée en raison de la microstructure à granulométrie fine et d'une répartition uniforme des phases secondaires. L'introduction de l'erbium petites quantités a un taux inférieur à son sous niveau de solubilité dans le magnésium a amélioré la résistance à la corrosion des alliages de Mg. Un revêtement de fluorure compact a été développe sur les alliages de magnésium par la couche de conversion chimique pour minimiser les taux de dégradation initiaux et fournir une résistance à la corrosion suffisante dans une solution de phosphate buffer saline (PBS) à 37 °C. Le comportement à la corrosion a été déterminé pour les échantillons revêtus et il a été constaté que les échantillons présentaient une résistance accrue à la corrosion avec des revêtements à base de fluorure. Ces revêtements sont biocompatibles et peuvent être encore personnalisés pour offrir une protection accrue à la surface. La première évaluation de la biocompatibilité à l'aide d'une analyse de cytotoxicité de ces alliages biodégradables a été réalisée. Les valeurs de viabilité cellulaire ont été améliorées avec l'épaisseur du temps de revêtement et ces alliages pourraient servir de candidats potentiels pour d'autres tests in vivo.

Garant de l'habilitation : Alexandre LEGRIS

Rapporteurs : Emmanuel CLOUET, Alejandro FRANCO, Yann LE BOUAR

Examinateurs : Sandrine BROCHARD, Nele MOELANS

Après une brève description de la méthode champ de phase et de la théorie microélastique, ce mémoire présente une application de ces outils à la précipitation dans les systèmes hexagonaux et trigonaux dont font respectivement partie la phase alpha du zirconium (utilisé dans les gaines de combustible des réacteurs nucléaires) et l’hydrure de zirconium cohérent zeta. Ce travail a permis de mettre en évidence certaines évolutions morphologiques originales des précipités dues aux inhomogénéités élastiques entre les phases. La théorie microélastique a également été combinée à des calculs à l’échelle atomique pour calculer des paramètres essentiels à la description de modèles énergétiques mésoscopiques des défauts microstructuraux tels que les énergies d’interface hétérophases. L’exploitation de ces modèles mésoscopiques a permis de proposer le rôle de précurseur de (i) la phase zeta pour la formation des hydrures dans le zirconium et (ii) des pyramides de fautes d’empilement pour la formation des boucles <c> dans le zirconium irradié. Un autre domaine d’application des méthodes champ de phase est également présenté, à savoir la modélisation du dommage d’irradiation dans les alliages métalliques. Il a ainsi été possible de revisiter le calcul des forces de puits des dislocations dans le zirconium, où celles-ci sont présentes en grande densité sous forme de boucles, et ainsi de donner des éléments d’explication physiques au grandissement des gaines dans les centrales nucléaires. Une extension directe de ce travail a été le couplage avec la diffusion des espèces chimiques dans un alliage, ce qui a permis de simuler par champ de phase la ségrégation induite sous irradiation aux joints de grain et aux dislocations dans le système Fe-Cr.