AAP 2011

Ci-dessous, les résumés des projets courts et longs désormais clôturés et sélectionnés lors de l’Appel à Projets 2011 du LabEx EMC3:

OPTI GP Re

Méthodes intégrées simulation/optimisation pour l’analyse des écoulements réactifs à faible ou grand nombre de Reynolds.

Axe 2 : Combustion propre – CORIA/LOMC

Dans le projet OPTI GP Re (2012-2013), il s’agit de regrouper les compétences complémentaires des deux équipes LOMC et CORIA pour engager le développement de méthodes de simulations numériques multi-physique aptes à traiter l’ensemble d’un procédé (réactif ou non) faisant intervenir simultanément des écoulements à faible et grand Reynolds. Le LOMC apportera ses compétences sur les écoulements dans les milieux fibreux et le CORIA celles sur les écoulements réactifs à grand Reynolds. Des méthodes spécialisées dans l’optimisation de ces écoulements sont mises en œuvre et appliquées conjointement aux deux types d’écoulements.

Porteur : Luc Vervisch (CORIA)

MATISS

Mise en œuvre de techniques de caractérisation hautes résolutions sur un MATérIau pour chaîneS laSer pétawatt (2012-2013)

Axe 1 : Matériaux pour l’énergie – CIMAP/GPM

Les cristaux de fluorine dopés avec des ions ytterbium (CaF2:Yb3+) ont pris une importance croissante au cours de ces dernières années pour leur utilisation dans les chaines lasers de puissance. Ce matériau se distingue en effet des autres matériaux laser par des propriétés spectroscopiques originales, qui se rapprochent de celles d’un verre, tout en préservant les avantages d’un système cristallin. Ces propriétés singulières s’expliquent par un arrangement très particulier des ions ytterbium au sein de la matrice CaF2 : des études antérieures s’appuyant sur des modélisations théoriques ont démontré que les atomes d’ytterbium s’organisent sous la forme de clusters hexamériques nanométriques.

Cependant, aucune observation expérimentale de ces clusters n’a permis à ce jour de confirmer les modélisations théoriques et étant donné l’intérêt qu’il suscite en tant que milieu à gain, il est essentiel d’approfondir notre connaissance de ce système afin de mieux comprendre sa spectroscopie et ses propriétés laser. Ainsi, le projet MATISS porte sur l’étude de la microstructure de ce matériau à l’échelle atomique, afin de déterminer de façon expérimentale l’organisation des ions ytterbium dans la matrice CaF2 d’une part et d’autre part de corréler ces propriétés microstructurales aux propriétés de luminescence du matériau. Pour cela, il s’agit, pour les équipes du CIMAP et du GPM, de croiser trois techniques de caractérisation : la tomographie 3D par sonde atomique (SAT), la microscopie électronique en transmission haute résolution (HRTEM) et la spectroscopie. Ces expériences sont accompagnées d’études théoriques qui approfondissent la modélisation d’un tel système.

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Porteur : Patrice Camy (CIMAP)

SOLAIR

SOurces LAser bleues en régIme femtoseconde et caractéRisation d’objets de phase transparents

Axe 3 : Recherche transverse – CIMAP/CORIA

Le projet SOLAIR (2012-2013) est un programme de recherche exploratoire portant sur le développement de systèmes de mesures laser embarquables combinant le développement de sources laser femtosecondes à fibres et la mise au point de techniques de mesure pour la caractérisation d’objets de phase transparents en conditions extrêmes. Ces études s’inscrivent dans le développement de futures sondes aéroportées pour la détection de poussières et de cristaux de glace dans les nuages.

Les résultats obtenus ont permis d’établir d’une part, une technique de mesure de petits objets transparents en conditions climatiques dégradées (brouillard, atmosphère turbulente) par reconstitution holographique. La métrologie développée a donné lieu à un dépôt de brevet portant sur la mesure ultrafine de front d’onde permettant la détection de petits objets par discontinuité de phase. D’autre part, le projet a permis le développement d’un système laser à impulsions courtes qui a résulté d’un partenariat industriel avec la société Ixfiber (Lannion). Le projet court SOLAIR à la fois ambitieux et innovant se poursuit actuellement à travers de nombreux projets longs pilotés par des partenaires industriels tels que Zodiac Aerospace, Airbus, 3S Photonics ou la DGA.

illustration laser projet SOLAIR

Schéma de la source laser femtoseconde à fibre dopée Nd3+.

Porteur : Mathieu Laroche (CIMAP)

ASAP

Atom Probe Tomography combined with ion, photon and electron spectroscopies

Axe 3: Recherche transverse – GPM / CORIA / CIMAP

Le projet ASAP (2012-2016) visait à étendre les possibilités d’analyse de la Sonde Atomique Tomographique (SAT) à tous types de matériaux, notamment des isolants diélectriques, en étudiant les mécanismes physiques mis en jeu dans l’évaporation par effet de champs assisté laser.

Pour pouvoir mener à bien cette étude, il a fallu concevoir de nouveaux bancs d’analyse qui ont permis d’accéder à de nouvelles informations.

Des solutions pratiques ont donc pu être proposées, notamment concernant la préparation des échantillons et les conditions d’éclairement laser pour améliorer les résultats des analyses de SAT sur les matériaux non conducteurs. Cela a également permis de montrer l’intérêt de coupler les informations optiques, électroniques et structurales issues d’un même échantillon nanométrique afin d’établir les relations structure / propriétés.

Les travaux du projet ASAP ont ouverts des perspectives pour le développement de ce prototype qui assemble une SAT avec des bancs de spectroscopie optique, ionique et électronique. Ces travaux ont permis de nouer de nouveaux contacts et de monter de nouveaux projets collaboratifs au niveau européen et national. 18 publications et 35 communications lors de conférences nationales et internationales sont issues de cette collaboration.

Fig. 1: Représentation du prototype (couplage de la Sonde Atomique Tomographique aux spectroscopies électroniques, ioniques et optiques)

Porteur : Angela Vella (GPM)

MESOTHERM

Mésocombustion et ThermoElectricité

Axe 3: Recherche transverse – CORIA / CRISMAT

Le projet MESOTHERM (2012-2016) a pour objectif de répondre aux besoins nomades de micro-sources de production d’énergie par la réalisation d’un démonstrateur de générateur d’électricité couplant une chambre de combustion centimétrique et des matériaux thermoélectriques.

A partir des compétences jointes du CRISMAT en thermoélectricité et du CORIA en combustion, l’objectif était d’optimiser une chambre de combustion portable avec les outils numériques dédiés (environ 1 cm3) développée au préalable au CORIA.

Le projet MESOTHERM a permis de développer et de valider des outils de modélisation et de simulation (cinétique chimique semi-complexe, adaptation semi-automatique de maillage, répartition dynamique de charge, approches DTFLES et EEM ; codes Yales2, FLAMEX) pour la combustion à des échelles centimétriques pour des écoulements de type swirl de mélange d’hydrocarbures et d’hydrogène. Outils également utiles pour le couplage conjugué entre thermique et mécanique des fluides (conjugate heat transfer) et enfin pour l’analyse et la simulation de matériaux thermoélectriques de type Functionally Graded Material (code DyCo : simulation de réseaux dynamiques couplés en 3 dimensions et utilisant une stratégie numérique de type réseaux discrets / volumes finis). Ce logiciel permet ainsi de traiter des écoulements globaux et locaux des flux constitués par le transport couplé de matière (de charges) et d’énergie. Sa principale originalité réside dans sa capacité à gérer de très fortes disparités des coefficients thermoélectriques tout en assurant la continuité des flux.

A l’issue de ce projet, un premier démonstrateur a été mis en place équipé d’un pistolet chauffant plutôt que d’une chambre de combustion. Par ailleurs, 7 publications et près d’une vingtaine de communications dans des conférences nationales et internationales en sont issues.

Les axes de recherche de MESOTHERM ont par la suite été prolongés par le dépôt de 2 projets ANR et l’implication de nombreux partenaires industriels et académiques  montre l’intérêt de la communauté scientifique et de l’industrie sur ce dispositif innovant. Industriels : HBOB à Grenoble, ST-MicroElectronics Tours ; académiques : LIED Paris Diderot, IEF Paris Sud Orsay, INRIA Sophia Antipolis, LEGI Grenoble, INRIA Bordeaux ; et internationaux : Université de Valence (Espagne), QED Brisbane (Australie), TEI Sterea Ellada en Grèce.

Fig. 1: Prototype de la chambre de combustion couplée à un dispositif thermoélectrique (projet MESOTHERM)

Porteur : Yves d’Angelo (CORIA, maintenant Université de Nice Sophia Antipolis)

TUVECO

Turbulence et Viscoélasticité dans les Écoulements Complexes

Axe 2: Combustion – LOMC / CORIA

Le projet TUVECO (2012-2016) avait pour ambition de mener des études complémentaires sur la turbulence dans deux systèmes hydrodynamiques modèles afin de répondre à deux questions scientifiques appartenant aux grands défis scientifiques actuels :

  • le développement de la turbulence thermique dans des systèmes fermés en liaison avec l’efficacité du transfert thermique dans les machines tournantes  et les systèmes de propulsion
  • et la turbulence viscoélastique dans des systèmes ouverts en liaison avec  la stabilité des  jets et la formation des sprays des liquides complexes ou la modification des propriétés thermiques des carburants et huiles par additifs de polymères.

Les études ont été menées de façon expérimentale, numérique ou théorique en utilisant en particulier l’analyse multi-échelle.

Le projet comprenait deux lots. Le lot n°1 concernait  la turbulence thermo-hydrodynamique d’un écoulement confiné entre deux cylindres coaxiaux en rotation soumis à un gradient de température. Cette étude a permis de s’équiper d’une instrumentation performante de PIV stéréoscopique qui permet de mesurer le champ de vitesse à deux composantes et d’en extraire une troisième composante par des lois de conservation. Les résultats obtenus vont de la mise en lumière du rôle joué par le nombre de vortex dans l’écoulement sur les lois de dissipation de l’énergie dans le fluide jusqu’à la caractérisation des structures dites « solitons » dues à la faible rotation d’un écoulement avec un grand gradient radial de température.  Le lot n°2 s’est intéressé au rôle des additifs de polymères dans la transition vers la turbulence et sur la formation des jets et sprays. Cette étude réalisée dans deux types d’écoulements distincts a mis en évidence le rôle de l’élasticité des solutions de polymères sur le scénario   de transition vers la turbulence dans le système de Couette-Taylor  et sur la création de nouvelles structures dans les instabilités de jets viscoélastiques. Une étude multi-échelle testée d’abord sur les jets et sprays des liquides newtoniens a été étendue  et s’est avérée prometteuse pour l’étude jets  et sprays de liquides viscoélastiques.  L’analyse multi-échelle s’avère être un outil qui permet d’optimiser la qualité de l’atomisation en fonction de la turbulence de l’écoulement dans l’injecteur en vue de mieux répondre aux problématiques des secteurs  nucléaire, aéronautique et automobile. Les travaux de  TUVECO ont permis d’affirmer la pertinence de la description multi-échelle des processus d’atomisation et  d’affiner ce concept pour atteindre un bon niveau de maîtrise et l’utiliser pour l’étude de mécanismes complexes issus de l’expérience ou des simulations numériques réalisée au CORIA.

Le projet TUVECO a permis de renforcer la coopération entre les équipes du LOMC et du CORIA  pour consolider les expertises sur les études de la turbulence des écoulements complexes rencontrés dans les problèmes de la propulsion et de la combustion. En particulier, le projet a contribué à doter  le LOMC d’une infrastructure de niveau  européen sur l’étude de la turbulence thermo-hydrodynamique. Le projet a permis de recruter 4 doctorants dont deux financés directement par le LABEX, 3 chercheurs post-doctorat (dont deux financés par le LABEX) et 6 stagiaires de Master dont deux ont poursuivi les travaux de thèse au LOMC et au CORIA.

Le volume de la production scientifique (39 articles  et 34 communications) issue de ce projet témoigne de la qualité scientifique de ce projet et de son succès. Par ailleurs, le projet TUVECO a ouvert de nouvelles perspectives via le dépôt de nouveaux projets ANR ou régionaux sur ces domaines et a permis l’organisation des deux congrès internationaux sur les instabilités de liquides complexes.

Porteur : Innocent Mutabazi (LOMC)

COLIBRI

Catalyseurs Organométalliques et Liquide Ionique pour valorisation de BIoRessources

Axe 1: Matériaux pour l’énergie- LCMT / LCS / CRISMAT / GPM

Le projet COLIBRI (2012-2016) a pour objectif de mettre au point des matériaux catalytiques de type ionogels, originaux, propres, efficaces et innovants à partir de polymères biosourcés issus de la mer et d’évaluer leurs efficacités catalytiques via le programme suivant :

  • Mise au point de nouveaux catalyseurs à base de polysaccharides marins et de liquide ionique
  • Développement de méthodes efficaces de caractérisation de ces catalyseurs organométalliques avant et après utilisation
  • Evaluation de ces catalyseurs dans des réactions d’intérêts

Les liquides ioniques (LI) ont des propriétés remarquables de solvatation, conductivité, stabilisation… ; néanmoins leur utilisation est limitée par leur caractère « liquide ». C’est pourquoi leur immobilisation sur des supports solides, consistant à la préparation de IONOGELS, a été étudiée de façon à les rendre « manipulables » tout en conservant leurs propriétés originales. Ces matériaux ont ainsi trouvé des applications dans des domaines variés : batteries, capteurs, emballage, catalyse… La nature du support utilisé impacte considérablement les propriétés originales du LI ; les supports utilisés sont majoritairement inorganiques, de type silice et les supports polymères sont peu utilisés malgré leurs nombreuses propriétés de mises en œuvre. L’originalité du projet de COLIBRI est liée à l’utilisation de polymères naturels de type alginate ou chitosane comme support  pour préparer des ionogels et l’utilisation de ces Bio-ionogels en catalyse. La caractérisation des matériaux a été réalisée par microscopie en collaboration avec le CRISMAT et le GPM et par RMN du solide avec le LCS.

Les Bio-ionogels catalytiques ont été préparés à partir d’alginate/LI en présence de Pd ou de Ru, métaux utilisés respectivement en catalyse pour la réaction de Tsuji-Trost (formations de liaison C-C et C-N) et la réaction de métathèse d’oléfines (formations de liaison C=C). Ils ont été préparés par un procédé original consistant à immobiliser le LI dans la matrice biopolymère par congélation puis lyophilisation. Les études et caractérisations des Bio-ionogels ont mis en évidences les propriétés catalytiques remarquables de ces matériaux, même à faibles charges catalytiques dans la mesure où les propriétés originales des LI sont conservées, voire améliorées.

Ce projet a ensuite été poursuivi par l’obtention de financements (ADEME et Fédération de Chimie INC3M) impliquant de nouveaux partenaires académiques et soutenus par les industriels Eiffage et Dassault, confortant ainsi l’intérêt de la communauté industrielle sur ces résultats.

Porteur : Isabelle Dez (LCMT)

ITEM

Innovative ThermoElectric Materials

Axe 1: Matériaux pour l’énergie – CRISMAT / LCMT / GPM

Le projet ITEM (2012-2016) avait pour objectif de développer de nouveaux matériaux thermoélectriques basés sur les effets de nanostructuration pour limiter la conductivité thermique. Deux approches complémentaires ont été considérées :

  • Axe 1: Approche nanocomposite polymère des matériaux thermoélectriques (CRISMAT – LCMT)
  • Axe 2: Approche cristallochimique 3D à l’échelle atomique d’oxydes complexes dans le système Ca-Fe-O-S en combinant les techniques d’analyse  par  Sonde Atomique (GPM) et la Microscopie Electronique en Transmission (CRISMAT).

L’axe 1, portant sur la nanostructuration des particules de tellurure de Bismuth a permis d’atteindre des conductivités suffisantes. Quelques difficultés ont été mises à jour car très peu d’exemples de matériaux thermoplastiques isolants contiennent des particules de tellurure de Bismuth aux propriétés thermoélectriques obtenus par extrusion ou injection. Cette collaboration a toutefois permis l’émergence d’une nouvelle thématique de recherche au LCMT grâce à la forte interaction avec le CRISMAT via un financement régional sur l’élaboration de matériaux thermoélectriques organiques.

Fig.1: Clichés MET de nanotubes de Bi2Te3

L’axe 2, dans lesquels les laboratoires CRISMAT et GPM étaient impliqués, a apporté des résultats encourageants sur les propriétés physiques des composés CaFe3O5 et CaFe5O7  qui n’avaient pas été rapportées à ce jour. Les travaux ont permis d’identifier l’évolution du pouvoir thermoélectrique des 2 composés cités qui passent par un stade optimum juste au-dessus de la température ambiante associé à une transition structurale réversible qui n’avait pas été mise à jour auparavant. Ce projet a donc permis d’étayer les prochains objectifs à atteindre, et notamment l’optimisation des propriétés thermoélectriques à travers la diminution de la conductivité thermique qui pour le moment  ne permet pas une application industrielle en l’état. Ce travail a également permis de mettre en avant la présence d’inclusions de Fe2O3 dans CaFe5O7 lesquels peuvent être diminuées par des traitements post-synthèses de type  SPS. Il s’en suit une diminution sensible de la résistivité favorable aux propriétés thermoélectriques.

Les analyses  du   nouveau  composé  CaFeOS et de la brownmilleritte Ca2FeO5 élaborés au cours de ce projet ont permis de mettre en lumière leurs propriétés électroniques. Il est à noter que l’oxysulfure isolé présente un comportement de type semi-conducteur avec comme particularité  une structure  non centro-symétrique.

Les travaux menés dans le cadre de ce projet ont permis de comparer les propriétés thermoélectriques des nanopoudres par rapport à des poudres synthétisées par mécanosynthèse et ont  mis en évidence l’influence de la nanostructration sur l’abaissement du seuil de percolation. Une grosse partie du travail a également consisté à analyser à l’échelle atomique des oxydes de fer en intercroissances et à corréler les défauts étendus ou les inclusions détectés avec leurs propriétés thermoélectriques.  Les résultats de ces travaux ont été présentés dans une dizaine de conférences dont 7 internationales.

Porteur : Denis Pelloquin (CRISMAT)