Archive dans novembre 2019

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