SERVICE DE SCIENCES DES POLYMERES

Chers étudiants, vous trouverez ci-dessous une liste des sujets de stages de Master et de BAC et les sujets de mémoires que vous pouvez entreprendre au sein de notre service de Sciences des Polymères. Notre activité de recherche s’inscrit principalement dans le cadre de la physique de la matière molle (fluides complexes, polymères, cristaux liquides, colloïdes et macromolécules biologiques). Site web : http://www.ulb.ac.be/sciences//physsol Lieu : Ce service est situé aux niveaux O4 du bâtiment NO du Campus de la Plaine. La recherche évoluant chaque jour, la liste de sujets de mémoires et de stages présentée ci-dessous est bien sûr non-exhaustive. C’est la raison pour laquelle, nous invitons les étudiants désireux d’effectuer un stage ou un mémoire au sein de notre service à nous contacter directement pour discuter des derniers sujets du moment. Voici une brève description des thématiques abordées par les différents promoteurs possibles du service de Sciences des Polymères (partie physique): Dynamique des polymères et de la matière molle – Simone Napolitano - snapolit@ulb.ac.be Dynamique moléculaire, nanoconfinement des liquides et solides (verres), transition vitreuse, adsorption, cristallisation Interfaces et Structures Molles – Denis Terwagne – Denis.Terwagne@ulb.ac.be Capillarité, élasticité, géométrie, hydrodynamique physique, fines structures, interactions fluide structure, bio-inspiration

Dynamique des polymères et de la matière molle

Simone Napolitano snapolit@ulb.ac.be

http://homepages.ulb.ac.be/~snapolit

Irreversible Chain Adsorption

Adsorption des chaînes de polymère en couches minces

L’adsorption de polymères sur substrats solides est un processus de grand intérêt fondamental et industriel (catalyse, lubrification, peintures, colloïdes, protéines, pharmacologie, etc). Même si le phénomène est bien compris dans le cas de solutions de polymères bien diluées, l’adsorption dans la limite de grandes concentrations (et pour coules de polymères) reste presque inconnue. Dans cet mémoire on investiguera la cinétique du processus d’adsorption des chaînes de polymère en films minces pour comprendre l’importance de la structure de la macromolécule, du type du solvant et du confinement sur le processus. Housmans, C., Sferrazza, M. and Napolitano, S., Kinetics of irreversible chain adsorption, Macromolecules, 2014, 47, 3390  

Napolitano, S.; Wübbenhorst, M., The lifetime of the deviations from bulk behavior in polymer confined at the nanoscale, Nature Communications 2011, 2, 260 Etude par simulation de la cinétique d'adsorption de polymères à une interface entre un fondu et un substrat solide Collaboration : J.P. Ryckaert (co-promoteur) Exploitation d'un modèle mésoscopique de polymère avec monomères de taille $b$ pour étudier par Dynamique Moléculaire ou par Monte-Carlo cinétique (KMC), la cinétique d'adsorption de polymeres sur un substrat donnant lieu à un gain d'énergie epsilon>kBT dès qu'un monomère s'approche de la paroi à une distance inférieure à une distance delta <b. On cherche à mettre en évidence l'origine moléculaire de la succession de deux régimes dynamiques distincts observés expérimentalement. Un premier régime résulterait du fait que les chaines s'étalent progressivement sur le substrat en faisant une succession de "`boucles"' et de "`trains"' afin de gagner rapidement de l'énergie. A des temps plus longs, le système se réorganise pour redresser les chaines et se rapprocher d'une structure en brosse ou chaque chaine n'est plus adsorbée à la surface que par un ou quelques points à une extrémité de la chaine.

Glassy Dynamics Under Geometrical Confinement see chapters in http://goo.gl/87w5qg

Dynamics of polymers under nanoscopic confinement The aim of this project is to investigate the structural dynamics of thin polymer films (h < 200 nm) by means of broadband dielectric spectroscopy. In particular, we would like to understand the role of interfacial energy, substrate roughness, presence of diluents and adsorption kinetics on the glassy dynamics of the chains. This information will be compared to parameters of industrial relevance as the stability and durability of the polymer coating Priestley, R. D.; Cangialosi, D. and Napolitano, S. On the Equivalence Between the Thermodynamic and Dynamic Measurements of the Glass Transition in Confined Polymers, 2014 in press Capponi, Vanroy and Napolitano European Physical Journal E, 2013, 36, 61 [download a free copy goo.gl/24D94] This project in collaboration with Prof Rodney Priestley [Princeton University] and Dr Daniele Cangialosi [CSIC, San Sebastian], and we will consider visits to their laboratories. Physical Aging in thin polymer films   Physical aging is a universal feature of materials in a nonequilibrium thermodynamic state. This molecular mechanisms is responsible for the failure of glasses as materials for high-precision applications and has a tremendous economic impact on everyday life. In this project we would like to investigate the impact of nanoscopic confinement on the physical aging of thin polymer films by means of dielectric spectroscopy. In particular, we would like to understand the role of chain immobilization, macromolecular architecture and substrate interactions on the equilibation pathways of these systems. Tang, Q.*; Hu, W. and Napolitano, S. Slowing down of accelerated structural relaxation in ultrathin polymer films Physical Review Letters, 2014 112, 148306 This project in collaboration with Prof Wenbing Hu [Nanjing University] and and we will consider visits to his laboratory. Interplay between crystallization kinetics and molecular relaxation We will focus on the investigation of the crystallization kinetics of several organic molecules (from low molecular weight compounds to polymers), by means of broadband dielectric spectroscopy. The aim of this research is to unveil the correlation between the relaxation processes active during crystallization and the molecular mechanisms responsible for the formation of ordered structures. Martínez-Tong, D. E.*; Vanroy, B.; Wübbenhorst, M.; Nogales, A.; Napolitano, S.* Crystallization of poly(L-lactide) confined in ultrathin films: competition between finite size effects and irreversible chain adsorption, Macromolecules, 2014, 47, 2354-2360 This project in collaboration with Dr Aurora Nogales [CSIC, Madrid] and we will consider visits to her laboratory (J Spièce spent several months during his master thesis in Madrid, 2014).

Interfaces et Structures Molles

Denis Terwagne Denis.Terwagne@ulb.ac.be

Piégeage de gouttes sur hélice par condensation (stage ou mémoire) Promoteur : Denis Terwagne Le but est d'introduire l'étudiant au phénomène d'élastocapillarité qui a lieu lorsque des forces capillaires et élastiques sont du même ordre de grandeur. Typiquement ces forces peuvent entrer en compétition lorsque des structures élastiques interagissent avec une interface fluide. De cette compétition, de larges déformations non-linéaires peuvent être engendrées. Ces phénomènes sont rencontrés dans de nombreux milieux industriels et de la vie de tous les jours. Grâce aux techniques de fabrications digitales et aux matériaux disponibles actuellement, il est possible de fabriquer, assez aisément, des fibres avec des géométries très spécifiques. Plus spécifiquement, le but de ce laboratoire serait de fabriquer des fibres en forme d'hélice (on peut imaginer l'analogie avec un cheveu très bouclé) et d'étudier leur interaction avec des gouttes liquides. Selon la géométrie de l'hélice et le rapport des forces capillaires et élastiques, on peut s'attendre à des phénomènes étonnants comme le piégeage de gouttes et la déformation de l'hélice tel un ressort. On pourrait imaginer étendre l'étude de ce problème à la condensation de gouttes sur ce type de structure. Une application intéressante pourrait être le façonnage de filets dont le rôle est la récolte de gouttes de condensation afin d'alimenter en eau des régions du monde très arides.

Soft Robotics et intelligence artificielle (stage ou mémoire) Promoteur : Denis Terwagne – Service Sciences des Polymères (Faculté des Sciences) Collaborations : Marc Haelterman – OPERA-Photonique (Ecole Polytechnique)

Serge Massar – Laboratoire d’Information Quantique (Faculté des Sciences) Mots clés : Robotique, Intelligence Artificielle Motivation Un développement très récent en robotique est la conception de robots qui, à l’image de beaucoup d’être vivants, sont constitués de matériaux mous. Contrairement aux robots traditionnelles « rigides », ces robots auraient l’avantage d’être bon marchés, les matières plastiques sont en effet beaucoup moins chers que les métaux; plus robustes, un robot mou est intrinsèquement résistant aux chocs; et capables de tâches nouvelles comme interagir et évoluer de manière plus efficace avec leur environnement ou encore manipuler délicatement des objets fragiles. Ce travail ambitieux de conception débute par une compréhension fondamentale de la morphologie et des fonctionnalités des organismes vivants mous (exemples langue du lézard, chenille, végétaux) ainsi que leur adaptation à leur environnement naturel. Cette approche conjuguée à de nouvelles techniques de fabrications digitales sera la clé de la conception de robots mous possédant de nouvelles fonctionnalités. Pour leur contrôle, ces robots nécessiteront l’implémentation d’algorithmes issus des dernières avancées en terme d’intelligence artificielle tel que le reservoir computing. Les challenges dans ce domaine sont : -la conception de nouveaux robots, avec des actuateurs et senseurs adaptés, capables de fonctionnalités nouvelles. -l’implémentation de nouvelles manières de contrôler ces robots qui est très différent du contrôle des robots traditionnels (robots rigides). Description Plusieurs axes de travail sont possibles : -concevoir, construire et tester des robots nouveaux (par exemple des robots adaptés à des milieux contraints inspirés des vers ou des chenilles, ou au milieu liquide, inspirés par la pieuvre, des seiches, et certains poissons). -développer un banc de test pour robots mous. -développer et tester des algorithmes de contrôle pour robots mous. Nature du travail Suivant le sujet, le travail peut être essentiellement de la fabrication (travail liée à la conception d’objets 3D, à la chimie des polymères), ou de l’électronique et de la programmation (contrôle et test des robots).

Robot mou quadrupède et robot mou inspiré de la chenille (MIT et Tufts university).

Soft living matter Reconfiguration élasto-capillaire (stage ou mémoire) Promoteur : Denis Terwagne Mots-clés: Expérience, capillarité, élasticité, géométrie et biomimétisme. Motivation - Les mécanismes physiques utilisés par la nature sont extrêmement riches et variés. Les plantes ont élaboré et développé des stratégies d’une ingéniosité particulièrement fascinante pour effectuer des fonctions telles que se reproduire, se nourrir et se défendre. La fougère a, par exemple, mis au point un mécanisme de reproduction vraiment astucieux : ses spores sont produites dans un « sac » (le sporangium, voir Fig. 1.a-b) qui s’ouvre et qui les catapulte au loin en recourant à un mécanisme physique subtil qui allie capillarité, élasticité et cavitation [1].

La géométrie courbée et texturée du sporangium permet une reconfiguration elasto-capillaire acceptant le stockage d’énergie élastique. L’elasto-capillarité est l’effet du couplage entre la déformation d’une structure solide et l’action de la

tension de surface d’un fluide lorsque ce dernier est mis en contact avec la surface solide.

Jusqu’alors les études de reconfiguration elasto-capillaire étaient restées cantonnées à des structures planes simples [2] (voir Fig. 1.c) essentiellement pour des raisons de limitations expérimentales. Profitant des nouvelles avancées technologiques en matière de fabrication, nous pouvons, à présent, explorer des mécanismes de reconfiguration dans des structures 3D plus complexes telles que les fougères, par exemple. Dans ce cas, nous étudierons en profondeur le mécanisme de reconfiguration et nous explorerons plus spécifiquement les effets liés à la périodicité de la structure et à la courbure de Gauss. Description et nature du travail - Le but de ce mémoire est d’étudier la reconfiguration tridimensionnelle de structures molles basée sur un mécanisme d’actuation élasto-capillaire combiné à de l’évaporation. Ce travail expérimental comporte différentes parties:

• montage expérimental pour l’analyse des échantillons; • conception et fabrication d’échantillons en élastomère à l’aide de techniques de

fabrication digitale; • caractérisation et analyse des échantillons par technique d’imagerie.

Dynamics of living soft matter Promoteur : Simone Napolitano Collaboration : Denis Terwagne (co-promoteur)

Carnivorous plants of the Nepenthaceae and Sarraceniaceae families produce highly viscous liquids stored into ad hoc evolved leaves acting as pitch traps. Recent investigation of the rheological properties of these liquids showed an intriguing behavior, pointing at an intimate connection between the trapping ability and the relaxation time of the liquid. In this project we will investigate the relaxation properties of liquids produced by different carnivorous plants via broadband dielectric spectroscopy. Gaume L, Forterre Y A Viscoelastic Deadly Fluid in Carnivorous Pitcher Plants PLoS ONE 2007 2: e1185.

Fig. 1 Mécanisme de reconfiguration élasto-capillaire: le sporangium de la fougère [1] a) section et b) mécanisme de catapultage; c) origami capillaire [2].