Archive dans 2019

Séminaire:" Etude des mécanismes de déformation en fluage à 1050°C/120MPa des superalliages à bases nickel : Cas du MC2 et MCNG"

Afin d’accroître le rendement des turbomachines on augmente la température des gaz à l’entrée de la turbine (TET). Cela rend les conditions de fonctionnement des turboréacteurs de plus en plus sévères et nécessite le développement de nouveaux alliages aussi réfractaires que possible (T> 1000°C). Dans ce domaine les superalliages base nickel n’ont pas de concurrents sérieux. Leur développement s’est effectué depuis plusieurs décennies dans un contexte industriel. Ces alliages biphasés composés d’une phase γ’ dispersée dans une matrice désordonnée proposent aux métallurgistes une mine de questionnements fondamentaux :

Leur résistance mécanique élevée est-elle liée à la chimie de ces alliages? à la structure ordonnée de la phase γ’ ? au désaccord paramétrique entre les deux phases ou aux réseaux de dislocations aux interfaces?

Cette étude comparative entre le comportement en fluage à 1050°C, de deux superalliages monocristallins pour aubes de turbine, le MC2 alliage de 1ère génération (sans rhénium) et le MCNG alliage de 3ème génération (avec rhénium), constitue une tentative à hiérarchiser ces différents facteurs de durcissement.

L’approche à diverses échelles (macro, méso, micro) montre en quoi la création et l’évolution des radeaux diffèrent dans ces deux alliages. L’addition d’éléments lourds (Rhénium) peut modifier les caractéristiques intrinsèques de chacune des phases (paramètre de maille, énergie de défaut d’empilement, énergie de paroi d’antiphase, état d’ordre…) ou leur morphologie (structure standard ou en radeaux).

L’analyse détaillée des mécanismes de formation et d’évolution des réseaux qui gainent les radeaux  γ ’ à haute température (Figure 1a), fait apparaître le rôle essentiel des interfaces γ-γ’ perpendiculaires à l’axe de traction. Dans ces deux alliages elles ne sont pas planaires mais sont ondulées autour du plan (001) (Figure 1b). Cette ondulation moins symétrique dans MCNG aboutit à la formation de réseaux de dislocations lâches et mal organisés qui se déstabilisent de façon précoce conduisant à destruction prématurée des radeaux. Par contre dans MC2, l’ondulation est symétrique et les réseaux de dislocations sont denses, réguliers et stables conduisant à un stade secondaire plus long.

 

a
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Figure 1 : Superalliage à base Nickel : (a) Structure standard  (b) La structure en  radeaux 

Conférencier: Dr. Moustafa Benyoucef

Date et Lieu: Mardi 10 Décembre à 10h30 Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

Séminaire: « Couplage de l’imagerie par diffraction cohérente de Bragg (BCDI) et de la dynamique moléculaire pour étudier les nanostructures »

Fig. 1 (top) Experimental reconstruction of the u111 displacement field on a 250 nm Pt NP (bottom)  u111 displacement field obtained by energy minimization of a simulated Pt NP (right) εxx, εyy and  εzz components of the strain tensor derived from the simulation

Les propriétés physiques à petite échelle de longueur diffèrent fortement de celles du matériau massif, typiquement en deçà du micromètre. Par exemple, la résistance mécanique augmente quand la taille diminue et de fortes contraintes résiduelles liés aux procédés d’élaboration sont présentes au sein de nanostructures. Il existe ainsi un besoin d’une meilleure compréhension de la relation entre la microstructure et les propriétés des matériaux aux échelles nanométriques. Du fait de sa bonne résolution spatiale et de son excellent sensibilité aux déplacements atomiques et à la déformation locale [1,2], l’imagerie par diffraction cohérente en géométrie de Bragg (BCDI) s’est imposée au cours des deux dernières décénnies comme un outil très puissant pour mesurer le champ de déplacement local dans des objets nanométriques [3]. Combinée à une sollicitation mécanique in situ, la BCDI est particulièrement adaptée à l’étude de la germination de défauts dans des nanoparticules isolées [4] ou encore à la détermination des mécanismes de déformations intragranulaires dans des films minces polycristallins [5].

De nos jours, la quasi convergence des échelles de longeur mesurables expérimentalement par diffraction cohérente et simulables par dynamique moléculaire, le couplage entre les deux méthodes est particulièrement pertinent, et permet une étude complète et détaillée des mécanismes de déformation à l’échelle atomique. Cette approche couplée a été utilisée pour étudier la relaxation de surface de nanoparticules métalliques (Au, Pt). Un excellent accord est obtenue entre la composante du champ de déplacement mesurée expérimentalement et calculée par minimisation d’énergie (statique moléculaire) (Fig. 1.) Grâce à cette approche, la mesure expérimentale de seulement une seule réflection de Bragg est requise pour pouvoir dériver le champ de déplacement 3D et les six composantes indépendentes du tenseur de déformation [6]. Les deux techniques peuvent également être combinées pour identifier des structures de défauts germées pendant une sollicitation mécanique in situ [4,5] ou encore pour interpréter l’évolution du champ de déformation d’une nanoparticule catalytique pendant une réaction sous gas [7,8]

[1] Watari, M. et al. Nature Materials 10, 862–866 (2011).

[2] Labat, S. et al. ACS Nano 9, 9210–9216 (2015).

[3] Robinson, I. & Harder, R. Nat Mater 8, 291–298 (2009).

[4] Dupraz, M. et al. Nano Lett. 17(11) (2017).

[5] Cherukara, M. et al. Nat. Comm. 9 (2018).

[6] Dupraz et al.  to be submitted (2019)

[7] Kim, D. et al. Nat. Comm. 9, 3422 (2018).

[8] Dupraz, M. et al. in preparation

Conférencier: Dr. Maxime Dupraz

Date et Lieu: Lundi 25 Novembre à 14h00 Salle de conférence du LEM (E2.01.20), Châtillon.

Modélisation du comportement mécanique des matériaux polycristallins

Comprendre les processus de déformation qui conduisent à la rupture des matériaux structurels polycristallins est l’un des principaux défis de la science des matériaux. Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des dernières décennies, grâce aux développements de nouvelles techniques de caractérisation expérimentales et à des méthodes de simulation numerique avancés.

Cependant, la localisation de la plasticité dans des bandes de glissement et la propagation de la plasticité à travers un agrégat polycristallin ne sont pas entièrement comprises.

L’une des difficultés de la modélisation du comportement mécanique des matériaux polycristallins est qu’il s’agit intrinsèquement d’un phénomène multi-échelle. Des mécanismes de déformation inélastiques se produisent à l’échelle des dislocations (le défaut cristallin vecteur de la déformation plastique) qui donnent lieu à la formation de microstructures intra-granulaires qui, à leur tour, interagissent avec les joints des grains. Ce projet de stage vise à étudier les premiers stades de déformation plastique dans un matériaux (Cu, Ni) polycristallin à l’aide de la dynamique de dislocations (DD).  En particulier le code de DD microMegas sera utilisé couplé avec un solveur élastique, pour reproduire des conditions aux limites favorisant l’émergence d’une localisation de la déformation plastique et ainsi modéliser l’interaction entre une bande de glissement et les joints de grain. Ce mécanisme sera étudié d’abord dans des agrégat polycristallin modèle. Si possible ces calculs pourront être étendu à un jumeau numérique d’un polycristal réel.   

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique du solide, Science des matèriaux. Bonne connaissance de la physique de la matière condensée  ainsi qu’une propension pour les simulations numériques (utilisation de codes, programmation pour le post-traitement des données).

Contacts: Benoit Devincre

De la dynamique moléculaire à la dynamique de Langevin

Les méthodes de cinétique formulées à l’échelle atomique permettent de modéliser la plupart des phénomènes qui contrôlent l’évolution des matériaux : transitions de phase, diffusion de lacunes, déformation élastique, nucléation et propagation de dislocations, microcavités et microfissures… Les méthodes classiques dites de « dynamiques moléculaires » sont cependant limitées par les très hautes fréquences associées aux phonons. Avec les moyens informatiques actuels, les temps accessibles à l’aide de ces méthodes n’atteignent en deffet que quelques nanosecondes. Si plusieurs approches ont été explorées ces dernières années pour aller au delà de cette contrainte, aucune ne s’est vraiment imposée (Diffusive Molecular Dynamics, ART Monte Carlo, Phase Field Crystal). Dans ce contexte, nous souhaitons développer une nouvelle méthode, toujours à l’échelle atomique, mais basée sur une dynamique de Langevin, qui est d’ordre 1 en temps, ce qui revient essentiellement à éliminer l’énergie cinétique. L’intérêt est de garder à la fois le caractère discret de la matière et une description continue des positions atomiques sans devoir suivre les oscillations rapides dues aux phonons. Les échelles de temps accessibles devraient alors être de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux accessibles par les méthodes usuelles. Il est cependant nécessaire d’introduire un terme de bruit dans la cinétique, dont le contrôle permet de garantir la convergence vers l’équilibre thermodynamique. Des premiers résultats nous poussent à croire que cette méthode est prometteuse pour l’étude du comportement des matériaux soumis à divers traitements thermomécaniques.

Le stage aura pour but de valider les conditions dans lesquelles la méthode de Langevin reproduit correctement les cinétiques atomiques. En utilisant des codes de dynamique moléculaire, il s’agira d’abord d’identifer les régimes de température et de concentration pour lesquels la séparation des échelles de temps entre vibrations atomiques et processus thermiquement activés est réalisée. Ensuite, il s’agira de développer numériquement une technique de changement d’échelle qui permettra de formuler correctement les équations de Langevin associées.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique des solides, aptitudes à la programmation sous unix/linux

Contacts:  Mathieu Fèvre, Alphonse Finel

Elaboration et caractérisation de nanoparticules métalliques ; analyse des effets de synthèse dans la catalyse de croissance de nanotubes de carbone par CVD

Le sujet de stage proposé s’inscrit dans une volonté de développer de nouveaux catalyseurs (nanoparticules métalliques ou bimétalliques) pour la croissance de nanotubes de carbone, ces nouveaux catalyseurs permettant le contrôle des propriétés électroniques des nanotubes de carbone dès l’étape de synthèse.

Les nanoparticules servant de catalyseurs seront synthétisées, en collaboration avec l’ICMMO (Vincent Huc) en combinant chimie de surface et chimie de coordination. Nous nous proposons de comparer un même jeu de nanoparticules métalliques ou bimétalliques élaboré suivant des voies de synthèses très différentes puis nous comparerons l’action catalytique de ces nanoparticules dans la croissance des nanotubes :

–          Une première partie du travail expérimental sera de synthétiser les nanoparticules par voie colloïdale (optimisation de la synthèse en réduisant d’abord le Ru3+ en Ru2+ puis en l’alliant au Ni) et par Analogues de Bleu de Prusse à l’Institut de Chimie Moléculaire et Matériaux d’Orsay (ICMMO). Ces dernières seront calcinées sous argon afin d’obtenir des espèces carburées. Nous en ferons l’étude structurale (distribution en taille, composition, structure cristalline) au LEM. Nous utiliserons pour cette dernière une panoplie puissante de techniques d’investigation (microscopie électronique en transmission en Haute Résolution, diffraction, spectroscopies de perte d’énergie et d’analyse X) présentes au laboratoire (LEM).

–          Une deuxième partie du travail expérimental sera de faire croître des nanotubes de carbone par CVD en utilisant les nanoparticules élaborées comme catalyseur (par voie colloïdale, par voie « Bleu de Prusse » et Bleu de Prusse « carbures »). Il conviendra alors de caractériser ces nanotubes (chiralité, longueur, type d’accroche à la nanoparticule) par TEM (imagerie et diffraction) et spectroscopie Raman. Ces trois jeux de catalyseurs devront être comparés pour observer l’influence de la voie de synthèse et l’influence de la phase carburée dans la croissance de nanotubes de carbone.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Bonne formation en chimie de la matière condensée avec un volet important en nanoscience et des cours sur l’élaboration et la caractérisation. Goût affirmé pour l’expérimentation et pour la technique.

Contacts:  Armelle Girard, Annick.Loiseau

Chimie et morphologie de nanoalliages pour la catalyse de croissance de nanotubes de carbone par CVD

Le sujet de stage proposé s’inscrit dans une volonté de développer et de comprendre la synthèse de nouveaux catalyseurs (nanoparticules métalliques ou bimétalliques) pour la croissance de nanotubes de carbone, ces nouveaux catalyseurs permettant le contrôle des propriétés électroniques des nanotubes de carbone dès l’étape de synthèse de ces derniers.

Depuis quelques temps, un certain nombre de catalyseurs bimétalliques à base de métaux de transition ont été synthétisés produisant, en règle générale, des nanoparticules de type cœur/coquille ou de type janus. Néanmoins, nos études précédentes ont montré qu’il était possible de synthétiser des particules bimétalliques sous forme de solution solide en combinant chimie de surface et chimie de coordination dans des conditions de température particulières. Les alliages ont la possibilité de se former à l’échelle nanométrique quand on arrive à mettre en place un processus de réduction rapide pour « piéger » les atomes des deux métaux dans un alliage en évitant ainsi une nucléation séparée.

Cependant, étudier le comportement thermodynamique de ces catalyseurs bimétalliques demande souvent la mise en œuvre de techniques expérimentales compliquées qui gagnent souvent à être couplées avec des approches théoriques, même si ces dernières sont encore loin de pouvoir atteindre un tel niveau de complexité tout en restant prédictives. En collaboration avec le groupe de simulations numériques à l’ICMMO (Jérôme Creuze et Fabienne Berthier), nous entamons donc une étude théorique afin de mieux caractériser le comportement de ces nanoparticules, à l’équilibre et sous ultra-vide tout d’abord. En effet, il est nécessaire de connaître la thermodynamique des nanoalliages en tant que systèmes isolés avant d’étudier l’influence de perturbations extérieures. Nous étudierons également les cinétiques de retour à l’équilibre afin de déterminer la stabilité et la durée de vie de configurations métastables qui auront été identifiées lors de la première étape de l’étude.

Le stage permettra ainsi d’identifier et de quantifier les grandeurs thermodynamiques clés impliquées dans la répartition des constituants au sein des nanoparticules bimétalliques et de comprendre comment les variables d’état influent sur la configuration d’équilibre à partir de ces grandeurs. Le candidat pourra confronter ses résultats avec les expériences lorsque ce sera possible.

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Formation en physico-chimie de la matière condensée ayant comporté un volet en nanosciences. Un goût affirmé pour le calcul numérique et la thermodynamique. Une appétence pour l’expérimentation et pour la technique

Contacts:  Armelle Girard, Annick.Loiseau

Nanomatériaux innovants en environnement réel pour des applications en nano-électronique

Les nanotubes (NTs) de carbone peuvent être synthétisés à moyenne température (T~700°C) en décomposant un gaz carboné à la surface de nanocatalyseur métallique (Fe, Co ou Ni). Malgré des progrès significatifs depuis 25 ans, le contrôle précis de leur structure pendant la synthèse demeure un défi de taille pour des applications en nano-électronique. Depuis quelques années, l’utilisation de catalyseurs bimétalliques (CoW, Mo2C, …) semble être la voie la plus prometteuse puisque des sélectivités assez spectaculaires vis-à-vis de la chiralité des NTs ont été constatées sans qu’elles soient parfaitement comprises. Parmi les hypothèses avancées, il a été proposé que la présence d’un élément d’alliage ayant un haut point de fusion tend à maintenir solide la particule pendant la synthèse. Dans de telles conditions, la structure du catalyseur présente des facettes permettant le contrôle direct de la structure des tubes par épitaxie. Bien qu’elle soit élégante, cette interprétation est sujette à de nombreuses controverses puisqu’aucune étude expérimentale précise ne permet de déterminer l’état du catalyseur pendant la synthèse.

L’objectif de ce stage est donc de se focaliser sur la synthèse de nanoparticules (NPs) dans un état structural parfaitement défini et maitrisé dans le but de parvenir à une véritable ingénierie de fabrication de NTs à structure contrôlée. Pour cela, nous nous focaliserons sur l’étude structurale en température de NPs AgPt où le Pt, possédant un haut point de fusion, sera l’élément clé pour maintenir la particule à l’état solide. Il s’agira dans un premier temps d’optimiser les conditions de synthèse par voie physique (ablation laser pulsé) pour fabriquer des NPs AgPt de structures contrôlées (taille, morphologie et composition). Par la suite, l’évolution structurale à haute températuredes NPs sera effectuée grâce au développement unique de la microscopie électronique à transmission d’électrons (MET) in-situ en temps réel pour étudier les propriétés structurales des catalyseurs. Plus précisément, l’étude structurale de NPs AgPt (formation d’alliage, séparation de phase, transition ordre/désordre) à différentes températures sera alors possible où différentes techniques de microscopie seront couplées (haute résolution, diffraction, dispersion en énergie des rayons X, …). En collaboration avec le laboratoire MPQ pour la partie expérimentale, l’ensemble des résultats sera comparé à des simulations numériques à l’échelle atomique développées au LEM et au CINaM à Marseille.

Développement d’un code de Monte Carlo dynamique pour les calculs de diffusion atomique

Les processus de diffusion dans les solides sont prépondérants pour la cinétique de nombreux changements microstructuraux se produisant pendant la préparation, le traitement et le traitement thermique des matériaux. Des exemples typiques sont la nucléation de nouvelles phases, les transformations de phase par diffusion, la précipitation d’une seconde phase, la recristallisation, le fluage à haute température et l’oxydation à haute température. Pour atteindre une compréhension profonde de la diffusion dans les solides, il est nécessaire d’avoir des informations sur la position des atomes et sur leur déplacement. Les mécanismes atomiques de diffusion dans les solides cristallins sont étroitement liés aux défauts. Les défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels sont les défauts les plus simples et facilitent souvent la diffusion dans les cristaux. Les méthodes ab initio telles que la théorie de la densité fonctionnelle (DFT) peuvent fournir des informations fondamentales, telles que les positions stables des atomes dans un réseau cristallin et leurs vitesses de saut entre deux sites voisins. Cependant, il n’est pas anodin d’obtenir des coefficients de diffusion à partir de ces propriétés fondamentales car, dans les cristaux solides complexes, il existe généralement divers défauts ponctuels (lacunes et positions interstitielles) et, par conséquent, plusieurs chemins de diffusion sont possibles pour l’atome diffusant. Les solutions analytiques des problèmes de diffusion multi-états sont généralement complexes. Une bonne alternative est de recourir à la méthode Monte Carlo cinétique (KMC: Kinetic Mote-Carlo), une méthode de Monte Carlo particulière utilisée pour les processus avec des vitesses connues telles que la migration des atomes. Il consiste à cartographier N événements possibles pouvant se produire à partir d’un état donné. Chaque événement est défini par la fréquence de saut, le déplacement et la fonction cumulative de la fréquence de saut: toutes ces paramètres nécessaire à la simulation KMC peuvent être obtenues à partir des calculs DFT.

L’objectif principal de ce projet est de développer un code de Monte Carlo cinétique pour étudier la diffusion des atomes dans les cristaux. Le code recevra en tant que données d’entrée les résultats des calculs DFT, qui seront effectués avec le code VASP. Les premières applications porteront sur la diffusion d’atomes interstitiels (B, O, N, C) dans des alliages Ti-Al. Le code sera validé par comparaison avec la solution analytique des réseaux cristallins les plus simples (comme le composé TiAl tétragonal), puis appliqué à l’étude de la diffusion dans des géométries plus complexes (comme le composé Ti3Al hexagonal).

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique de la matière condensée, crystallographie, development de code

Contacts: Gilles Hug

Propriétés électroniques de couches fines nanostructurées

Le contrôle à l’échelle nanométrique de la composition et de la morphologie des matériaux a permis l’émergence de nouvelles propriétés structurales, électroniques et chimiques, qui sont à la base de nombreux progrès technologiques récents. Parmi les nanostructures, les matériaux 2D forment une classe constituée par des matériaux cristallisant en couches d’épaisseur atomique. Depuis l’envol du graphène dans les années 2000, la famille des matériaux 2D s’est enrichie de nouveaux éléments comme le nitrure de bore hexagonal (hBN) ou le phosphore noir (BP).

En vertu de leur infime épaisseur, les matériaux 2D présentent souvent des propriétés électroniques très différentes de celles de leur homologues massifs. En outre, celles-ci sont fortement influencées par l’interaction avec l’environnement proche, par exemple, par des modifications du support du matériau 2D ou de son épaisseur. Les hétérostructures de van der Waals se basent sur ce principe. Elles sont formées en empilant des couches de différents matériaux 2D, permettant ainsi de combiner plusieurs propriétés dans un même système, et de les moduler de façon contrôlée afin d’atteindre des objectifs technologiques ou de recherche fondamentale.

Dans ce contexte, la famille d’hétérostructures considérée comportera l’empilement de feuilles de hBN et/ou de BP. Pour étudier d’un point de vue théorique ces systèmes, nous allons élaborer une approche mixte, qui combine des développements analytiques et numériques de type liaisons fortes à des simulations ab-initio. Ces dernières seront faites sur des systèmes simples de référence, afin d’établir une base quantitative pour la paramétrisation des modèles liaisons fortes. Ainsi, l’étude de grands systèmes tels que des hétérostructures réalistes deviendra possible. Plus précisément, il s’agira d’étudier l’effet de l’environnement (substrat, empilement…) sur les propriétés électroniques et optiques d’hétérostructures de van der Waals à base de hBN et BP.

Une autre originalité de ce travail consistera à coupler l’étude théorique à différentes techniques expérimentales, grâce notamment à un riche réseau de collaborations.

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Bonne connaissance de la mécanique quantique et de la physique de la matière condensée ainsi qu’un goût prononcé pour la simulation numérique. Les échanges scientifiques seront encouragés. Techniques utilisées : Simulations ab-initio (de principes premiers) et liaisons fortes

Contacts:  Lorenzo Sponza

Propriétés structurales et électroniques de nanomatériaux sous contraintes

À l’échelle nanométrique, les propriétés structurales des matériaux (0D/1D/2D) sont parfois délicates à prédire car elles font intervenir des interactions à longue portée dont on ne peut s’affranchir. De nombreux exemples sont discutés dans la littérature tels que le greffage de molécules sur une feuille de graphène, le couplage inter-plan dans les hétérostructures 2D ou dans les nanotubes de carbone multi-parois, l’adhésion de nanoparticules catalytiques, … Dans ce cadre, nous souhaitons mettre en œuvre une approche multi-échelle en couplant des modélisations à l’échelle atomique (modélisations empiriques, semi-empiriques ou ab initio) avec une approche continue via des calculs d’éléments finis (EF) pour mieux cerner les modifications électroniques induites par des nano-objets sous contraintes.

Le but de ce stage est d’appliquer cette méthodologie à des nanostructures auto-assemblées de silicium qui constituera une première application. Le travail se fera en deux étapes. Il s’agira tout d’abord de caractériser les propriétés structurales des systèmes considérés, grâce au développement de notre démarche multi-échelle impliquant le passage d’une description atomistique vers un cadre de type mécanique des milieux continus pour tenir compte les EF des interactions à longues portées qui pilotent les effets d’auto-organisation. Par la suite, les propriétés électroniques de ces systèmes seront caractérisées en combinant des calculs ab initio et un modèle de type liaisons fortes (méthode d’ordre N) parfaitement adapté pour traiter de larges systèmes (104-105 atomes) où les effets élastiques à longue portée sont dominants.

A noter que cette activité de recherche bénéficiera de la mise en commun de compétences uniques présentes au laboratoire dans le domaine des objets de basse dimension et celui du comportement mécanique des matériaux.

Type d’emploi : Stage (4-6 mois) 

Niveau de formation : Bac+5 

Lieu de travail: LEM, Châtillon 

Profil souhaité: Physique du solide, physique des matériaux. Bonne connaissance de la physique de la matière condensée  ainsi qu’un goût prononcé pour la simulation numérique (utilisation de codes, programmation pour le post-traitement des données).

Contacts:  Riccardo Gatti,  Hakim Amara