Dépollution par plaques multicouches : Stabilité de l’adhésion mécanique des nanoparticules d'argent sur composites multicouches sous écoulements hydrodynamiques

Durée et lieu de travail : Ce stage sera entre pris entre les laboratoires LSPM de l’université Sorbonne Paris Nord pour 4 à 6mois.

Equipe d’accueil du laboratoire LSPM- CNRS-UPR3407 (France)

1. Problématique :

Les structures multicouches constituées d'un substrat de silicium  recouvert de dioxyde de titane (TiO₂), sur lesquelles sont photo-déposées des nanoparticules d'argent sous forme de dômes sphériques à elliptiques [1], sont largement utilisées dans la dépollution de l'eau usée et des gaz. Toutefois, lorsque ces structures sont exposées à un fluide en mouvement, les nanoparticules peuvent être soumises à des forces hydrodynamiques, conduisant potentiellement à leur arrachement. Ce phénomène compromet l’efficacité du processus de dépollution [2].

Les questions clés sont donc :

1. Quelles sont les forces exercées par le fluide (cisaillement et pression) sur les dômes d’Argent ?
2. Quels sont les critères d’arrachement des nanoparticules d’argent en fonction de leur morphologie, taille et adhérence au TiO₂ ?
3. Comment les variations de forces hydrodynamiques influencent-elles les conditions d’arrachement ?

2. Objectifs de l’étude :

1. Quantifier les forces hydrodynamiques : Identifier les forces de pression et de cisaillement exercées par le fluide sur le composite et les nanoparticules.
2. Critères d'arrachement : Modéliser les contraintes mécaniques à la base des nanoparticules pour déterminer les seuils critiques d'arrachement.

3. Approche méthodologique :

Étape 1 : Modélisation du fluide moyennant FREE FEM++

• Comprendre la résolution des équations de Navier Stokes dans un canal avec une surface multicouche incluant des nanoparticules d’argent en 2D.
• Géométrie : Les dômes sont modélisés comme des structures elliptiques (paramétrées par hauteur et largeur).
• Conditions aux limites :
  • Profil de vitesse imposé à l’entrée.
  • Pas de glissement sur la surface (paroi fixe).
  • Condition de Neumann pour la pression à la sortie.

Étape 2 : Forces mécaniques sur les nanoparticules moyennant FREE FEM++

• Calcul des forces normales (pression) et tangentielles (cisaillement) sur les nanoparticules.
• Extraction des forces résultantes pour chaque nanoparticule.

Étape 3 : modélisation des composites multi-couches moyennant FREE FEM++

• Appliquer le chargement relevé sur les nanoparticules d’argent
• Définir un critère d'arrachement
• Recherche bibliographique  à propos les liaisons TiO₂ /Ag
• Définir le champ de contrainte des nanoparticules pour divers morphologies et tailles
• Etude paramétrique sur la distribution des nanoparticules d’argent
• Tester le cas de géométrie périodique

En perspective : Effets de la température

• Etendre l’étude au cas 3D
• Étudier les contraintes thermiques dans les couches multicouches.

4. Références bibliographiques :

[1]  Jia, Z., Vega-Gonzalez, A., Amar, M. B., Hassouni, K., Tieng, S., Touchard, S., Kanaev, A., & Duten, X. (2012). Acetaldehyde removal using a diphasic process coupling a silver-based nano-structured catalyst and a plasma at atmospheric pressure. Catalysis Today, 208, 82–89. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2012.10.028

[1]  Jia, Z., Amar, M. B., Brinza, O., Astafiev, A., Nadtochenko, V., Evlyukhin, A. B., Chichkov, B. N., Duten, X., & Kanaev, A. (2012). Growth of Silver Nanoclusters on Monolayer Nanoparticulate Titanium-oxo-alkoxy Coatings. The Journal of Physical Chemistry C, 116(32), 17239–17247. https://doi.org/10.1021/jp303356y

Compétences requises :

• Connaissances en science des matériaux, mécanique (solide /fluide) et physique des interfaces.
• Familiarité avec les outils de modélisation numérique (par exemple : Matlab, FreeFem++ ou autres).
• Recherche bibliographique, interprétation de résultats et rédaction de rapport.
• Autonomie, respect des délais et partage de l’avancement de façon régulière.

Une bonne maîtrise de l’anglais est nécessaire pour les discussions avec les différents partenaires du projet.

Candidature : Curriculum vitae + lettre de motivation + relevés de notes des années précédents et en cours + recommandations à envoyer aux adresses mail ci-dessous au plus tard 10 mars 2025.