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Science et ingénierie des matériaux et des procédés

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La production



Le laboratoire SIMaP diffuse ses résultats scientifiques sous forme d'articles dans diverses revues spécialisées dont la liste peut être consultée sur l'archive HAL.

Le laboratoire est également impliqué dans la diffusion de la connaissance à destination de différents publics :  rédaction d'ouvrages à destination d'étudiants du supérieur ou de spécialistes, cours au Collège de France, actions de vulgarisation dans le cadre de la Fête de la Science notamment...

Scientific Reports:Nanostructured TiO2 anatase-rutile-carbon solid coating with visible light antimicrobial activity

TiO2 anatase-rutile-carbon _ Scientific Reports

Un matériau avec tous les effets des nanoparticules de TiO2 sans les inconvénients : extrêmement adhérent aux surfaces, stable dans le temps et non friable en plus d'être d'un joli noir profond !

Le laboratoire SIMaP collabore avec l'équipe de Susan Krumdieck de l'Université de Canterbury (NZ) depuis 2015 lors de sa venue comme Professeur invitée à l'école Phelma. A cette occasion, nous avons commencé à explorer les propriétés structurales d'un surprenant photocatalyseur noir à base de TiO2 élaboré par CVD pulsée ayant des propriétés photocatalytiques en lumière visible et même un effet désinfectant dans le noir ! Grâce aux équipements du CMTC et aux personnels du SIMaP impliqués dans ces recherches, nous avons pu montrer que ce matériau est un nano composite anatase-rutile-noir de carbone amorphe et proposer un mécanisme de croissance par empoisonnement sélectif de faces cristallines. Ce matériau a tous les effets des nanoparticules de TiO2 sans les inconvénients : il est extrêmement adhérent aux surfaces, stable dans le temps et non friable en plus d'être d'un joli noir profond. Ce matériau est envisagé comme revêtement dans les milieux hospitalier ou catalyseur fixe dans des applications de dépollution.

Nanostructured TiO2 anatase-rutile-carbon solid coating with visible light antimicrobial activity.
S. P. Krumdieck, R. Boichot, R. Gorthy, J. G. Land, S. Lay, A. J. Gardecka, G. Renou, G. Berthomé, F. Charlot, T. Encinas, M. Braccini, M. I. J. Polson, A. Wasa, J. E. Aitken, J. A. Heinemann, J. V. Kennedy, C. M. Bishop.
Scientific Reports (SREP-18-32680) (2019) 9:1883. (https://www.nature.com/articles/s41598-018-38291-y)

Nature Communications: Frequency-tunable toughening in a polymer-metal-ceramic stack using an interfacial molecular nanolayer

Tunable toughness _ Nature Communications
Contrôler la ténacité d'un empilement polymère-métal-céramique en fonction de la fréquence de chargement par la modification d'interface via des nano-molécules.
Les composites conçus à l'échelle nanométrique présentent un intérêt pour diverses applications, notamment l'énergie, l'électronique et la biomédecine. La performance et la fiabilité de ces composites sont souvent régies par l'intégrité des interfaces entre des matériaux dissemblables lors de fluctuations de chargement déclenchées par des sources thermiques, électriques et mécaniques. Ainsi, la mise au jour et la compréhension des phénomènes à l'échelle nanométrique aux interfaces pendant les chargements dynamiques et leur manipulation sont essentielles à la conception de nouveaux matériaux pour ce type d'applications. Les travaux publiés dans Nature Communications montrent que l'utilisation d'une couche de molécules dite "nanoglue" peut faciliter un durcissement mécanique inattendu dépendant de la fréquence. Ces résultats obtenus au Rensselaer Polytechnic Insitute sont le fruit d'une collaboration de chercheurs de différents domaines de la science des matériaux, à laquelle M. Braccini, chargée de recherche CNRS au laboratoire SIMaP, a participé, notamment dans le cadre d'un séjour dans l'équipe du Pr. Ramanath.

Frequency-tunable toughening in a polymer-metal-ceramic stack using an interfacial molecular nanolayer
M. Kwan, M. Braccini, M. W. Lane, G. Ramanath
Nature Communications, 9(1) (2018), 5249. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07614-y

Nature Materials: Surface distortion as a unifying concept and descriptor in oxygen reduction reaction electrocatalysis

Surface distorsion _ Nature Materials

La "distortion de surface" comme concept unificateur et descripteur dans la réaction électrocatalytique de réduction de l'oxygène.

Maîtriser la structure de surface au niveau atomique est d'une importance primordiale pour répondre simultanément aux critères de performance électrocatalytique et de stabilité requis pour le développement des piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) à basse température. Cependant, la transposition des connaissances acquises sur des surfaces modèles étendues aux nanomatériaux reste très difficile. Une étude menée conjointement par le laboratoire SIMaP, le laboratoire LEPMI et l'Institut Néel a conduit à proposer la " distorsion de surface " comme nouveau descripteur structural capable de concilier et d'unifier des notions apparemment opposées et des observations expérimentales contradictoires en ce qui concerne la réactivité de la réaction électrocatalytique de réduction d'oxygène (ORR). Au-delà de son caractère unificateur, nous montrons que la distorsion de surface est essentielle pour rationaliser les propriétés électrocatalytiques des nanocatalyseurs PtNi/C de pointe ayant une composition atomique, une taille, une forme et un degré de défauts de surface distincts dans un environnement de cathode PEMFC simulée. Cette étude combinant théorie et expériences apporte des connaissances fondamentales et pratiques sur le rôle des défauts de surface dans l'électrocatalyse et met en évidence des stratégies pour concevoir des nanocatalyseurs ORR plus durables. Elle a été sélectionnée pour la faire la couverture du numéro de la revue Nature Materials paru le 16 juillet 2018.
 

Surface distortion as a unifying concept and descriptor in oxygen reduction reaction electrocatalysis
R. Chattot, O. Le Bacq, V. Beermann, S. Kühl, J. Herranz, S. Henning, L. Kühn, T. Asset, L. Guétaz, G. Renou, J. Drnec, P. Bordet, A. Pasturel, A. Eychmüller, T.J. Schmidt, P. Strasser, L. Dubau and F. Maillard
Nature Materials 17 p.827833 (2018); doi: 10.1038/s41563-018-0133-2

Nature Communications: Direct measurement of individual phonon lifetimes in the clathrate compound Ba7.81Ge40.67Au5.33

Au sein du réseau européen C-MAC, une équipe multi-partenaire, dont des membres du SIMaP font partie, a mesuré pour la première fois la durée de vie de phonons dans une clathrate, matériau thermoélectrique réputé pour sa très faible conductivité thermique « glass-like ». Le libre parcours moyen mesuré est étonnamment grand, de 10 à 100 nanomètres, comparé au libre parcours moyen faible (0.5 nm) généralement associé au faible conductivité thermique de ce type. L’étude a également démontré une importante réduction du nombre de phonons qui transportent effectivement la chaleur. Ces résultats challengent les théories courantes et ouvrent la voie vers une meilleure compréhension des mécanismes de transport de la chaleur dans les matériaux complexes.

Atténuation d'un phonon dans un réseau de clathrate

L’arrière-plan représente la structure périodique de la clathrate, avec une cellule unité (carré blanc à gauche) avec un paramètre de 1 nm. Les atomes de Ba, en rouge, sont enfermés dans des cages constitués par les atomes de Ge et de Au. Les courbes colorées sont les mesures de la diffusion inélastique des neutrons dont la relation de dispersion et la durée de vie des phonons sont extraites. La courbe sinusoïdale à amplitude décroissante représente la propagation du phonon et son temps de décomposition (ou durée de vue) pour un phonon de longueur d’onde égale à 2 nm.


Direct measurement of individual phonon lifetimes in the clathrate compound Ba7.81Ge40.67Au5.33,
P.-F. Lory, S. Pailhès et al.
Nature Communications, 8: 491, 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00584-7

Surprenante contradiction entre faible conductivité thermique des cristaux et longs temps de vie des phonons

Physical Review Letters: Band Filling Control of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Weakly Ferromagnetic Insulators

PhysRevLet_carbonatesL’interaction d’échange, qui gouverne l’alignement mutuel des spins à l’échelle atomique, ne favorise pas toujours une structure où tous les spins sont parallèles ou antiparallèles les uns aux autres. En effet, elle comprend un terme, connu sous le nom d’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya, qui permet une plus grande complexité en détournant légèrement les spins de leur axe principal. Cette « torsion magnétique » est à l’origine de la multiferroïcité et des skyrmions, deux phénomènes magnétiques très étudiés à la fois pour leur intérêt fondamental et leurs possibles applications aux technologies de l’information.
Or, bien qu’elle ait été découverte il y a déjà un demi-siècle, on a encore bien du mal à la caractériser. En particulier, son signe, qui détermine le sens de la torsion des spins, et qui dépend des matériaux, est longtemps resté un mystère, empêchant les chercheurs de mettre en relation les valeurs absolues pour construire une théorie microscopique.
Cette information cruciale vient d’être retrouvée, par une équipe internationale dont fait partie Guillaume Beutier, du SIMAP. Pour mesurer le signe de la torsion magnétique, qui est cachée dans les mesures de diffraction, les chercheurs ont mis au point une méthode calquée sur les principes de l’holographie, où l’on fait interférer deux ondes : l’une mesure la structure atomique, indépendante de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya, et l’autre mesure la structure magnétique, qui en dépend. Le signe de l’interférence renseigne donc sur le signe de l’interaction.
En étudiant une série de cristaux dont l’élément magnétique suit une progression régulière dans la table périodique des éléments, ils ont mis en évidence un soudain retournement de la torsion magnétique, en accord avec les prévisions des calculs atomistiques. Cette mesure a permis de proposer un modèle microscopique de l’interaction. Les chercheurs sont confiants que cette avancée permettra de mieux maîtriser cette interaction dans d’autres classes de matériaux, tels que les multiferroïques et les skyrmions.


Band Filling Control of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction in Weakly Ferromagnetic Insulators
G. Beutier, S. P. Collins, O. V. Dimitrova, V. E. Dmitrienko, M. I. Katsnelson, Y. O. Kvashnin, A. I. Lichtenstein, V. V. Mazurenko, A. G. A. Nisbet, E. N. Ovchinnikova, and D. Pincini
Phys. Rev. Lett. 119, 167201, doi:10.1103/PhysRevLett.119.167201

Couverture de la revue Coatings : La CVD fait une cure de jouvence grâce au plan d'expérience

CVD SIMaP (crédit F. Mercier)Nous proposons de revisiter un procédé connu et éprouvé de longue date au SIMAP, la CVD hautes températures d'AlN, par la méthode des plans d'expériences. Cette méthode nous a permis de mettre en évidence un effet prononcé de paramètres que la communauté scientifique peut juger secondaires, et ce de manière robuste. L'intérêt de la méthode est de sortir des sentiers battus de l'intuition sans augmenter le coût expérimental d'une campagne et donc de relancer une recherche jugée mature.
Ce travail a été publié dans la revue Coatings et a été choisie pour illustrer la couverture du volume de septembre 2017.

Epitaxial Growth of AlN on (0001) Sapphire: Assessment of HVPE Process by a Design of Experiments Approach
Raphaël Boichot, Danying Chen, Frédéric Mercier, Francis Baillet, Gaël Giusti, Thomas Coughlan, Mikhail Chubarov and Michel Pons
Coatings 2017, 7(9), 136; doi:10.3390/coatings7090136

Spotlight de l'ESRF : Observation in-situ ultra-rapide du frittage par nanotomographie

ESRF Spotlight 2017 Fast in situ imaging

La courbure des cols entre particules, un paramètre critique pour la compréhension du frittage, a été déterminée précisément pour la première fois pour une poudre de billes de verre. L'étude s'appuie sur l'observation par nanotomographie in-situ à haute température de la microstructure lors du frittage en utilisant une combinaison sans précédent de temps de balayage rapide et de haute résolution. Ces résultats font l'objet d'un article dans la revue Materials Today ainsi que d'un  SPOTLIGHT ON SCIENCE de l'ESRF.


Fast in situ 3D nanoimaging: a new tool for dynamic characterization in materials science
J. Villanova, R. Daudin, P. Lhuissier, D. Jauffrès, S. Lou, C.L. Martin, S. Labouré, R. Tucoulou, G. Martínez-Criado, L. Salvo
Materials Today (2017); doi: 10.1016/j.mattod.2017.06.0

Scientific Reports: From powders to bulk metallic glass composites.

Metallic glass composites

Une voie pour changer les propriétés des matériaux est de modifier leur microstructure. Ce concept n’est toutefois pas applicable aux verres métalliques massifs qui ne contiennent pas de défauts structuraux. La voie évidente est donc de générer des hétérogénéités dans les verres en formant des composites par association avec une phase cristalline. Ce travail, fruit d’une collaboration avec le Erich Schmid Institute of Materials Science de Leoben en Autriche, a montré l’intérêt d’architecturer des composites verre métallique-cuivre à l’échelle nanométrique par la mise en œuvre de la technique d’hyper-déformation par compression sous forte pression (high pressure torsion) de mélanges de poudres. Les matériaux obtenus présentent des duretés modulables avec l’architecture et bien plus élevées que le verre homogène.
 

From powders to bulk metallic glass composites
Lisa Krämer, Yannick Champion, Rienhard Pipan, Scientific Reports (2017)
DOI:10.1038/s41598-017-06424-4


mise à jour le 5 mars 2019

Encyclopédie de l'environnement

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BD sur l'aluminium

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Univ. Grenoble Alpes