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Offre de thèse « Cristaux liquides biomimétiques pour l'optique » H/F

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Informations générales

Référence : UPR8011-MICMIT-001
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : mardi 14 mai 2019
Nom du responsable scientifique : Michel Mitov
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Situation du sujet :

Les répliques de structures biologiques photoniques utilisent des techniques d'empreinte ou de moulage par voie chimique (méthodes sol-gel) ou physique (dépôt plasma) [1]. Lorsque le terme de biomimétisme est rencontré dans les publications il s'agit souvent de bio-analogies, de ressemblances géométriques et texturales. Structurer et mettre en forme des cristaux liquides (CLs) synthétiques à des fins biomimétiques est une solution sous-utilisée, alors que les CLs sont tout trouvés pour réaliser des structures multi-échelles et auto-organisées à 3D [2,3]. Cette voie pourrait produire des matériaux multifonctionnels aux propriétés physiques inédites provenant de structures moléculaires à géométrie torsadée complexe que les approches conventionnelles n'ont pas atteintes.
Il ressort de l'analyse bibliographique sur les CLs torsadés biologiques publiée par l'encadrant [4] que les cuticules mosaïquées (stries, spots, pixels) des insectes, et de quelques rares fruits irisés, intriguent biologistes et biophysiciens. Il apparaît que la nature a trouvé dans la structure torsadée une solution intelligente et économe à des problèmes d'ingénierie pour un large spectre de fonctions. Mais beaucoup de questions sont ouvertes au sujet de la raison de ces irrégularités (motifs, couleurs), les caractérisations optiques sont assez peu nombreuses et les systèmes-modèles inexistants. Les articles de l'équipe d'accueil sur les CLs biologiques [4] et le cas de Chrysina gloriosa [5] ont été recensés en 2018 dans CNRS Le Journal [6].

Investigations :

Le travail du doctorant consistera à réaliser des versions artificielles choisies parmi trois types de structures torsadées singulières : (1) à gradient de pas hélicoïdal comme dans la carapace des scarabées du genre Chrysina, à la place d'un pas monotone; (2) à orientation variable de l'axe de symétrie, au lieu d'être constant dans l'espace; (3) à double hélicité alors que la torsion gauche domine dans le monde vivant — sauf dans les fruits de Pollia condensata, objets biologiques les plus brillants à la surface de la Terre, qu'il s'agira de reproduire.
Le travail de réplication pourra être précédé d'une caractérisation des cuticules lorsqu'elles ne sont pas décrites dans la littérature.
Les voies d'élaboration (soft nanotechnology) mettront en jeu gélifications hors équilibre thermodynamique, polymérisations à ancrage sélectif, photo-irradiations sélectives en longueur d'onde ou en polarisation, texturations 2D puis 3D par séparation de phase contrôlée aux échelles micrométrique et nanométrique.
Les propriétés optiques comprendront principalement des études de transmission, réflexion et polarisation à différentes échelles de la structure, à l'état d'équilibre ou en présence d'un stimulus externe. Dans le cas des gels de CLs, les matériaux à propriétés optiques changeantes seront électro commandables (smart reflectors). Ces études pourront se développer en interaction avec les opticiens du groupe selon l'avancée des matériaux élaborés. Le doctorant sera également associé à la collaboration actuelle avec l'Institut de Physique de Nice (projet ANR COLEOPTIX coordonné par l'encadrant).
Les études structurales comprendront la préparation des objets pour la MET par ultramicrotomie, la MET et le MEB. Des études par AFM pourront venir les compléter.

Débouchés :

La poursuite fonctionnelle de ces activités fondamentales est la réalisation concrète à l'échelle du laboratoire de matériaux et composants qui soient précurseurs en cryptographie visuelle, pour le guidage de véhicules autonomes, la furtivité, la photonique ultra-rapide, les routeurs pour réseaux tout-optique ou la détection d'agents chimiques.
Le caractère interdisciplinaire du sujet bénéficiera à la formation de l'étudiant, ce travail se situant aux interfaces entre physique de la matière molle, optique des milieux anisotropes, biologie, et technologie de matériaux avancés pour l'optique écoresponsables.
Les thèmes du biomimétisme et de la conception de systèmes inspirés de la nature sont affichés par le CNRS qui encourage les recherches au croisement des disciplines.

Profil du candidat :

Le candidat sera titulaire d'un master 2 ou d'un diplôme d'ingénieur, avec une spécialité physique de la matière ou sciences des matériaux. Des connaissances en physique de la matière molle sont les bienvenues mais non requises. Le candidat devra faire preuve d'initiative et de motivation pour un sujet fortement expérimental basé sur l'élaboration par voie physique de matériaux innovants. La maîtrise du français ou de l'anglais est requise.



[1] S. Berthier, M. Thomé, E. Van Hooijdonk et A. Bay, Insectes et lumière : approche bio-inspirée des échanges électromagnétiques, Techniques de l'Ingénieur, 243, 1 (2015).
[2] M. Mitov, Les Cristaux liquides, collection Que Sais-Je ?, PUF (2000).
[3] M. Mitov, Matière sensible (Seuil, 2010) et Sensitive Matter (Harvard University Press, 2012).
[4] M. Mitov, Cholesteric Liquid Crystals in Living Matter, Soft Matter, 13, 4176-4209 (2017).
[5] G. Agez, C. Bayon and M. Mitov, Multiwavelength micromirrors in the cuticle of scarab beetle Chrysina gloriosa, Acta Biomater., 48, 357-367 (2017).
[6] https://lejournal.cnrs.fr/articles/tous-les-cristaux-liquides-sont-dans-la-nature

Contexte de travail

Le CEMES est un laboratoire de recherche fondamentale en science des matériaux, physique du solide, chimie moléculaire. Les activités scientifiques qui y sont développées couvrent un large spectre allant de la synthèse de nanomatériaux et de systèmes moléculaires, l'étude et la modélisation de leur structure et de leurs propriétés physiques, leur intégration dans des dispositifs, et la manipulation de ces objets individuels.

La thèse s'effectuera sous la direction de Michel Mitov, Directeur de recherche au CNRS et animateur de la thématique "Cristaux liquides pour l'optique" dans le groupe NeO (Nano-optique et Nanomatériaux pour l'optique).


5 publications de l'équipe d'accueil reliées au projet (en plus de [2] à [5]):

A. Jullien, A. Scarangella, U. Bortolozzo, S. Residori and M. Mitov, Nanoscale hyperspectral imaging of tilted cholesteric liquid crystal structures, Soft Matter (2019), DOI: 10.1039/c8sm02506a
C. Bayon, G. Agez and M. Mitov, Wavelength-tunable light shaping with cholesteric liquid crystal microlenses, Lab on a Chip,14, 2063-2071 (2014).
M. Mitov, Cholesteric Liquid Crystals with a Broad Light Reflection Band, Adv. Mater., 24, 6260-6276
(2012).
G. Agez, R. Bitar and M. Mitov, Color selectivity lent to a cholesteric liquid crystal by monitoring interface-induced deformations, Soft Matter, 7, 2841-2847 (2011).
M. Mitov and N. Dessaud, Going beyond the reflectance limit of cholesteric liquid crystals, Nature Materials, 5, 361-364 (2006).

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