Thèse de doctorat (H/F) en chimie des matériaux

Description du Poste

Sujet De Thèse

Contexte :
La nacre – un arrangement de plaquettes d’aragonite avec une matrice organique dans une structure dite « en briques et mortier » – est l’un des nombreux composites texturés naturellement dont l’organisation induit des propriétés optiques (iridescence) et mécaniques (mécanismes de renforcement) extraordinaires. Cela a suscité l’intérêt des scientifiques pour la formation de composites biomimétiques, également appelés nacres artificielles. Par exemple, des plaquettes d’alumine (Al₂O₃) et du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ont été organisés par congélation-coulée, suivie d’un frittage et d’une infiltration de polymère. Cette approche en plusieurs étapes peut entraîner une infiltration incomplète du polymère et donc des défauts critiques dans la structure. Plusieurs exemples de films minces existent, mais la méthode n’est pas facilement extensible à un matériau en vrac. Pour former un matériau « en vrac » de type nacre, la fabrication additive (FA, également appelée impression 3D) semble la plus prometteuse, car le cisaillement induit pendant l’impression peut orienter les particules tout en formant le matériau. Cependant, jusqu’à présent, la recherche est limitée par le nombre restreint de « briques » disponibles, la plupart des travaux se concentrant sur des particules anisotropes naturelles (argiles, aragonite) ou des particules dont les morphologies peuvent être directement héritées de leur structure cristalline interne (alumine). De plus, des travaux sur la FA sont encore nécessaires pour ajuster finement le rapport briques/mortier au sein du matériau.

Objectif :
À l’ICGM, nous avons développé une approche pour concevoir des particules de silice ou de zircone anisotropes, en utilisant des agents de templating pour contrôler leur morphologie. De plus, par une modification soigneuse de la surface des particules, nous pouvons ajouter une coque polymère autour de ces cœurs anisotropes inorganiques via une polymérisation radicalaire, afin de former des particules cœur-coquille bien définies, inorganiques-organiques, qui peuvent être utilisées pour former des nacres artificielles. L’objectif de cette thèse est d’ajuster et d’optimiser la synthèse du cœur inorganique et de la coquille organique, et d’explorer l’utilisation de ces particules pour former des matériaux texturés, c’est-à-dire des nacres artificielles, via la fabrication additive.

Programme de travail :
Le projet de thèse se concentre sur les trois axes suivants :

Synthèse des particules cœur-coquille :
Le cœur anisotrope, composé de silice ou de zircone, est préparé par chimie sol-gel ou décomposition thermique en présence d’un agent de templating. Si la synthèse de la silice est désormais bien établie (plaquettes, bâtonnets courts/longs, voire donuts), pour la zircone, nous avons réussi à obtenir des particules en forme d’aiguilles ou de feuilles. La coquille organique est obtenue par polymérisation radicalaire. Pour la silice, nous polymériserons du poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), un polymère thermosensible, pour concevoir des nacres artificielles avec des propriétés optiques modulables thermiquement. Pour la zircone, nous polymériserons du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) pour former une nacre artificielle avec des propriétés mécaniques pertinentes.

Préparation des encres :
Après la préparation des particules cœur-coquille, le doctorant étudiera leur comportement en suspension aqueuse, en explorant l’effet de l’épaisseur de la coquille ou de la présence d’additifs sur la dispersabilité des particules dans l’eau. Il/elle étudiera notamment en détail les propriétés rhéologiques des particules, telles que la viscosité sous cisaillement ou les mesures oscillatoires de faible amplitude, afin de trouver des conditions adaptées à l’utilisation de ces suspensions pour l’impression. Parmi les additifs explorés, les modificateurs rhéologiques (tensioactifs, microgels) aideront à ajuster les propriétés rhéologiques, tandis que des monomères, des agents de réticulation et des photoamorceurs seront ajoutés pour permettre une réticulation photo des coquilles pendant l’impression.

Impression d’une nacre artificielle :
Nous explorerons pendant la thèse deux approches d’impression pour obtenir le matériau : l’écriture directe d’encre (DIW), une technique d’extrusion pour former le matériau filament par filament, et le traitement numérique par lumière (DLP), une technique de stéréolithographie pour former le matériau couche par couche par photopolymérisation. Dans les deux techniques, le cisaillement sera utilisé pour orienter les particules pendant l’impression. Une collaboration avec le DISAT (Polytechnique de Turin) permettra de réaliser du DLP sous cisaillement. Le doctorant caractérisera notamment les propriétés structurales des matériaux, c’est-à-dire l’orientation des briques, mais aussi les propriétés optiques à l’aide de la spectroscopie UV-Vis et les propriétés mécaniques via une collaboration avec MatéIS à Lyon.

Profil du doctorant :

Le doctorant sera responsable de :
- La synthèse du cœur inorganique et de la coquille polymère en utilisant la chimie sol-gel et la polymérisation radicalaire.
- L’étude des propriétés structurales des particules cœur-coquille.
- La formulation des encres pour l’impression, avec un accent sur l’étude des propriétés rhéologiques des encres.
- L’impression des matériaux, d’abord en couches minces avant d’imprimer des matériaux 3D en vrac.
- La caractérisation des propriétés structurales, optiques et mécaniques des matériaux.

Profil recherché :
Les candidats doivent être titulaires d’un Master 2 en Chimie des Matériaux, Génie des Matériaux ou Matière Molle. Des compétences en chimie sol-gel, en stratégies de polymérisation ou en fabrication additive sont les bienvenues. Le projet est délibérément « large » pour une thèse, afin de permettre au candidat d’explorer les directions qu’il/elle trouve intéressantes (optimisation de la synthèse des particules cœur-coquille, fabrication additive de nacres, propriétés des matériaux). Des compétences en techniques de caractérisation des matériaux (DRX, ATG, DLS/granulométrie laser, microscopie électronique) et/ou en rhéologie des suspensions sont requises. Une expérience préalable en fabrication additive est un plus. Les candidats motivés et indépendants sont les bienvenus. Un très bon niveau d’anglais (oral, écrit) ainsi que de solides compétences en communication sont requis.

Le doctorant travaillera à l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (ICGM), au sein du département D3 dédié aux matériaux poreux et hybrides, et sera encadré par le Dr. Julien Schmitt. Les candidats doivent être hautement motivés et prêts à travailler dans un environnement international.

Références :
(1) Schmitt, J.; Kjellman, T.; Kwaśniewski, P.; Meneau, F.; Pedersen, J. S.; Edler, K. J.; Rennie, A. R.; Alfredsson, V.; Impéror-Clerc, M. Outset of the Morphology of Nanostructured Silica Particles during Nucleation Followed by Ultrasmall-Angle X-Ray Scattering. Langmuir 2016, 32 (20), 5162–5172. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b00572.
(2) Schmitt, J.; Hartwig, C.; Crassous, J. J.; Mihut, A. M.; Schurtenberger, P.; Alfredsson, V. Anisotropic Mesoporous Silica/Microgel Core–Shell Responsive Particles. RSC Adv. 2020, 10 (42), 25393–25401. https://doi.org/10.1039/D0RA02278K.
(3) Bertero, A.; Schmitt, J.; Kaper, H.; Coppola, B.; Palmero, P.; Tulliani, J.-M. MOFs Functionalization of 3D Printed Mullite Complex Architectures for CO2 Capture. Applied Materials Today 2024, 40, 102407. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102407.

Votre Environnement de Travail

Bâtiment de Chimie Balard, au sein de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier. Le projet de thèse se déroulera au sein du département D3 (Matériaux Poreux et Hybrides). Les laboratoires de chimie sont équipés pour la synthèse de matériaux inorganiques, la polymérisation radicalaire, ainsi que pour la caractérisation des matériaux (au sein du laboratoire ou de l’UAR PAC Chimie Balard, située dans le même bâtiment). Des collaborations avec des partenaires académiques (Turin, Italie ; Lyon, France) sont prévues.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

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