Thèmes de recherche

Matériaux fonctionnels pour l'énergie

Cet axe de recherche étudie et propose de nouveaux matériaux pour les applications énergétiques, notamment pour les technologies du nucléaire et de l'hydrogène.

Cet axe de recherche implique le Laboratoire de Recherche Conventionné CARMEN (Laboratoire de Caractérisation des Matériaux pour l'Energie Nucléaire) (CentraleSupélec, CNRS et CEA), qui s'intéresse aux propriétés des céramiques avec et sans équilibre thermodynamique. L'équipe conjointe étudie également l'influence des conditions de préparation sur les propriétés des matériaux, ainsi que la dégradation de ces propriétés induite par le vieillissement dans des environnements extrêmes. Ceci est de la plus haute importance pour les applications nucléaires.

Cet axe de recherche comprend également des travaux autour des matériaux et des technologies de l'hydrogène. Son objectif est de trouver des matériaux de rupture qui permettent le fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide à des températures plus basses ou la production propre de H2 par photolyse. Une grande partie du travail consiste à mesurer les propriétés de transport (impédance, complexe, conductivité, relaxation) sous des températures et des atmosphères contrôlées.

Ferroïques avancées

Cet axe de recherche se concentre sur les oxydes fonctionnels dont les propriétés sont régies par la polarisation électrique, l'élasticité mécanique, l'aimantation magnétique et les interactions entre ces grandeurs, connues sous le nom de ferroïques.

Notre objectif est de :

  • concevoir et développer de nouveaux matériaux à différentes échelles (cristaux, céramiques, films minces, nanofils, nanocomposites, hétérostructures...),
  • explorer de nouvelles fonctionnalités pour des applications potentielles dans l'électronique (mémoires ferroélectriques, filtres acoustiques, électronique de spin, etc.), l'énergie (récupération d'énergie mécanique, stockage électrique, stockage photovoltaïque, etc.), le pétrole (capteurs-actionneurs dans les puits de pétrole) ou le vivant à travers des prothèses biomécaniques,
  •  mieux comprendre les mécanismes microscopiques (interactions électromécaniques, magnétoélectriques, photoélectriques, etc.) impliqués dans ces fonctionnalités pour en optimiser les propriétés et prédire leur comportement. Ces recherches s'appuient sur des méthodes et outils technologiques avancés, depuis la fabrication et la nanostructuration des matériaux jusqu'à leur modélisation, en utilisant un large éventail de techniques de caractérisation.
     

Structures électroniques, modélisation et simulations

L'objectif scientifique de cet axe de recherche est le développement de méthodes innovantes en théorie et par l'expérimentation. Les sujets les plus populaires pour la recherche théorique sont le développement de nouvelles fonctions dans le cadre de la théorie de la fonction de densité (DFT) et l'incorporation des effets quantiques dans la dynamique moléculaire. D'un point de vue expérimental, il convient de mentionner la nucléation non photochimique induite par laser (NPLIN), ainsi que les méthodes développées pour l'analyse conjointe de données expérimentales provenant de différents types d'expériences. Il s'agit d'une opération conjointe (ECP, Faculté de pharmacie de l'Université Paris-Sud) : pour cette raison, l'étude des interactions et des cibles biologiques des substances actives a toujours été importante. Néanmoins, d'autres systèmes ont été envisagés, notamment les matériaux thermoélectriques, les oxydes (éventuellement sous pression) et les surfaces.

Domaines d'application

Industrie nucléaire, céramiques pour les réacteurs de quatrième génération. Céramiques fonctionnelles : condensateurs multicouches à haute capacité, transducteurs piézoélectriques, microsystèmes, actionneurs électrostrictifs. Domaine biomédical, industries pharmaceutiques, technologie de l'hydrogène, piles à combustible, production d'hydrogène, développement de céramiques nanostructurées.

Chiffres clés

    Enseignants-chercheurs et chercheurs : 13
    Chercheurs associés : 6
    Personnel technique et administratif : 12
    Doctorants en 2016 : 13
    Publications de niveau A (source : Web of Science) : 638

Partenaires scientifiques

National :

    CEA Saclay,
    CEA DAM Ile-de-France,
    Université Paris-Sud, Faculté de Pharmacie,
    Université Paris-Sud,
    Université Pierre et Marie Curie,
    Institut de chimie du solide de Bordeaux,
    Institut Laue-Langevin, Installation européenne de rayonnement synchrotron,
    Laboratoire Léon Brillouin,
    Synchrotron SOLEIL,
    CEA-Leti,
    Université Paris-Est Créteil,

International :

    Université Waseda,
    Spring8,
    Université de l'Arkansas,
    EPFL,
    Université de technologie de Cracovie,
    Université de Belgrade,
    Université de Barcelone, G
    eorgia Tech

Partenaires industriels

    Schlumberger,
    NanoE,
    Coorstek,
    Thales et Thales Underwater Systems,
    Ferroperm,
    Imasonic,
    Ixsea (Sonar),
    ST micro,
    Leti,
    Horiba-Jobin Yvon,
    Saint-Gobain

Exemples de travaux

Comprendre les phénomènes à l'échelle nanométrique dans les combustibles nucléaires avancés

La sûreté, l'efficacité et la gestion des déchets du combustible nucléaire sont des défis fondamentaux qui sous-tendent le développement technologique des systèmes d'énergie nucléaire avancés. Le problème de la compréhension et du développement d'une capacité de prédiction de l'évolution des combustibles est un défi, même pour des phénomènes qui semblent simples.

Nos recherches visent à comprendre les évolutions microstructurales et la stabilité des phases dans des conditions chimiques et physiques pertinentes, la chimie et l'évolution structurelle aux interfaces, en utilisant la diffusion des neutrons, des modèles numériques et des spectroscopies (Raman, diffusion de traceurs, impédance, etc.) dans des oxydes à base d'uranium et des solutions de produits de fission, représentant des combustibles nucléaires modèles et des formes de déchets. L'un des résultats de notre description améliorée de l'oxydation de l'uranium au niveau atomique est l'évaluation d'un nouveau modèle pour la cinétique d'oxydation des combustibles nucléaires dans des scénarios d'accident.

 

MÉCANISMES DE MORPHOGENÈSE DES NANO-OBJETS FERROÉLECTRIQUES

Les nano-objets ferroélectriques sont les briques de nouvelle génération pour la microélectronique avancée. Nous avons récemment classé les différents mécanismes en jeu lors de la synthèse de ces objets, certains d'entre eux étant basés sur les idées originales de Turing concernant les réactions chimiques concurrentes. Nous avons également montré qu'en fonction de la forme de ces objets, un momentum de polarisation hyper-torique pourrait être utilisé pour construire des mémoires à ultra-haute densité.

 
NUCLÉATION NON-PHOTOCHIMIQUE INDUITE PAR LASER

La NPLIN est une technique qui permet de contrôler la nucléation par la lumière laser. L'intensité et la polarisation du laser (circulaire, linéaire) peuvent être utilisées pour contrôler la vitesse de nucléation et la forme polymorphe. En bref, une lumière LASER (532 nm, 7 ns, 10 Hz) est appliquée sur une solution sursaturée, c'est-à-dire métastable, d'une espèce organique. Une fois que cette solution est soumise à la lumière laser pendant une courte période (typiquement quelques secondes), quelques minutes à quelques heures après, des cristallites micrométriques sont détectés via un microscope optique, indiquant que la nucléation a été induite par le LASER. Le terme "non-photochimique" est utilisé pour indiquer qu'il n'y a pas de transformation chimique des molécules.

Les potentialités de cette méthode sont (i) d'être capable de produire des formes structurelles données de cristaux moléculaires (ii) de produire des cristaux de haute qualité avec une très faible densité de défauts [1, 2].

 
CONTACT

www.spms.ecp.fr

Directeur : Guilhem DEZANNEAU

Tél. : +33 (0)1 41 13 12 11
Fax : +33 (0)1 41 13 14 37

E-mail : guilhem.dezanneau@centralesupelec.fr

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