M2 Inorganic, Physical and Solid Chemistry

Niveau au moins équivalent au parcours M1 spécialité Chimie Analytique, Pharmaciens, ingénieurs chimistes

• RMN:
  • Les principales interactions magnétiques et leur représentation : application à l'analyse spectrale
  • Les opérateurs de spin et leur manipulation
  • Les principales expériences RMN bidimensionnelle
• Spectrométrie de masse :
  • Formation des ions par les techniques courantes et récentes évolutions
  • Tri des ions selon m/z et selon mobilité ionique
  • Activation et fragmentation des ions : instrumentation pour la MS/MS et la MSn
• Spectrométries atomiques : SAA, ICP-OES, ICP-MS, FX
• Spectroscopie avancée: Spectroscopie électronique, vibrationnelle. Dichroïsme circulaire.
• Présentation des différents types d’analyse thermique.

Cette UE permet un approfondissement des connaissances des techniques d’analyse (en particulier, RMN, spectrométrie de masse et méthodes spectroscopiques) pour la caractérisation structurale et l’étude des interactions moléculaires.

Enseignement de type classique avec cours magistraux et apprentissage par pédagoge inversée. travaux dirigés avec mise à disposition d'éléments pédagogiques complémentaires (ChemTrack).
Enseignement pratique

-Maîtriser les principes d’une mesure, ses performances et ses limites, les approches de validations des méthodes analytiques
-S’adapter à son environnement et adopter une attitude responsable en s’adaptant aux évolutions et contraintes de son domaine

Electrospray and MALDI Mass Spectrometry: Fundamentals, Instrumentation, Practicalities, and Biological Applications (Anglais)– Richard B. Cole (Sous la direction de), Editeur : Wiley-Blackwell; 2nd Edition (2010), ISBN-10: 0471741078
Spectrométrie de masse : Cours et exercices corrigés, de Edmond de Hoffmann (Auteur), Vincent Stroobant (Auteur), Editeur : Dunod; Édition : 3e édition (2005), Collection : Sciences Sup.
RMN : Concepts, méthodes et applications. Daniel Canet, Jean-Claude Boubel, Emmanuelle Canet Soulas
Handbook of Near-Infrared Analysis - Donald A. Burns, Emil W. Ciurczak , éditeur : CRC Press ISBN 9780849373930

mécanique classique du point, bases de mécanique quantique, thermodynamique classique, notions de thermodynamique statistique (facteur de Boltzmann)

- Définition et principe des champs de forces
    - Solvatation de systèmes moléculaires
    - Simulations de dynamique moléculaire
    - Simulations Monte Carlo
    - Introduction aux méthodes d'échantillonnage avancé et calcul d'énergie libre

- maîtriser les notions de champs de forces pour le calcul de l'énergie d'un système moléculaire
    - connaître les principes et limitations des simulations de dynamique moléculaire et Monte Carlo appliquées à l'étude de systèmes moléculaires
    - analyser une simulation moléculaire pour en extraire des informations sur la dynamique et la structure d'un système
    - mettre en place une simulation de dynamique moléculaire pour un système simple
    - savoir appréhender un article de simulation moléculaire

L'UE se déroule en 2 parties : cours/TD (20h) puis projet (16h).
    Les séances de cours permettent d'introduire les différents concepts importants des simulations moléculaires.
    Les séances de TD sont dédiées à l'apprentissage d'un logiciel permettant de mettre en place des simulations de dynamique moléculaire et d'en effectuer l'analyse.
    Le projet consiste en la mise en place de simulations moléculaires pour résoudre une question scientifique. Des séances dédiées à la réalisation du projet sont prévues en présence d'un enseignant.
    La langue d'enseignement est l'anglais pour les cours. Pour les TD et projet, l'accompagnement se fera en français ou en anglais en fonction de la demande de chaque étudiant.

D. Frenkel, et B. Smit: « Understanding Molecular Simulation – From algorithms to applications », Academic Press editions
    A.R. Leach: « Molecular Modelling - Principles and Applications », Longman editions
    C.J. Cramer: « Essentials of Computational Chemistry – Theories and models », Wiley editions

Aucun.

Partie 1 - Les photons comme particules incidentes : synchrotron SOLEIL, spectroscopies EXAFS-XANES, laser à électrons libres et spectroscopie IRMPD, spectroscopies laser résolues en temps et dynamiques des états excités, spectroscopie THz

Partie 2 - Surfaces et interfaces, structure et description, spectroscopies vibrationnelles, microscopie STM

Découverte de grands instruments et plateformes expérimentales.
Présentation des techniques spectroscopiques développées auprès de ces instruments, de leurs apports uniques et des difficultés de mise en œuvre.
Établissement d'un panorama de techniques réparties en fonction des informations sondées de la matière, notamment dans le cas de systèmes supportés et d'interfaces.

1. Visites de grands ensembles expérimentaux animées par un chercheur expert, avec comme support préparatoire 2 articles publiés concernant des travaux réalisés sur cette plateforme. (6 séances)
Restitution orale sous forme d'exposé sur une visite au choix.
2. Cours-magistraux et TD - examen écrit (7 séances)

•Analyser et caractériser les propriétés de molécules d'intérêt : en identifiant le ou les instruments adaptés, en maitrisant les principes de la mesure réalisée, ses performances et ses limites selon l'appareillage à disposition, en interprétant et combinant les résultats obtenus par différentes méthodes

• Créer des stratégies pour comprendre un système ou un processus au niveau moléculaire : En mobilisant des savoirs et des savoir–faire méthodologiques, expérimentaux et théoriques utiles au développement d’une démarche scientifique en chimie, En s’informant et se documentant sur une problématique de chimie et en sachant identifier des sources d’information pertinentes.

• Sauvage-Simkin, Actualité Chimique 2011
• M.-E. Couprie et al., Reflets de la physique 34-35
• Surface Science – Foundations of catalysis and nanoscience - K.W. Kolasinski
• Surface Science – An introduction - K. Oura, V.G. Lifshits, A.A. Saranin, A.V. Zotov, M. Katayama
• Chimie des surfaces et catalyse - G.A. Somorjai
• Introduction to Surface Analysis - Simon J. Garrett (Michigan State University, Department of Chemistry)

Aucun

Partie 1 : Les nanoparticules métalliques et leurs propriétés • Equations de Maxwell (rappels)• L’interaction de la lumière avec la matière • Guides d’ondes : définition d’un « mode »• Plasmons de surface à l’interface métal / diélectrique• Excitation et détection des plasmons de surface• Plasmons de surface localisés• Détecteurs plasmoniques• SERS •Autres applications des plasmons de surface (en particulier en chimie)

Partie 2 : Les principes de la microscopie électronique et de ses composantes analytiques sont abordés : imagerie conventionnelle, diffraction et imagerie dite haute résolution pour la caractérisation structurale et quelques techniques spectroscopiques pour l'analyse chimique. Ces techniques seront illustrées sur quelques exemples (interfaces, agrégats, nanotubes, nanoparticules...) et mises en œuvre expérimentalement : travaux pratiques sur microscope électronique en transmission à haute résolution, caractérisation structurale à partir d’analyses et de simulations d’images sur des nanotubes et des nanoparticules.

Partie 3 : projets-TP autour de nanoobjets divers sur la plateforme NANOPE : synthèse, caractérisations de tailles par différentes techniques complémentaires, spectroscopies d'absorption et d'émission. Cours TP en microscopie à force atomique et application dans le cadre du projet.

Cette UE vise à donner des notions avancées en terme de propriétés plasmoniques et de caractérisation de nanomatériaux par microscopie électronique en transmission. Introduction aux techniques de synthèse et caractérisation usuelles (DLS,NTA, zétamétrie, spectroscopies UV-vis..) .

Enseignement :  2 cours magistraux /Travaux dirigés, et une partie projet pédagogique sous forme de TP. 1 groupe de TD est prévu, 3 groupes de 8 étudiants en TP.

- Plasmonics. S. A. Meier.

- Principles of Nano-Optics L. Novotny et B. Hecht.

- Absorption and Scattering of Light by Small Particles, C.F. Bohren et D.R. Huffman.

Notions de mécanique quantique. Notions du modèle de bandes. Modèle du champ cristallin et des orbitales moléculaires. Spectroscopie des éléments de transition.

L'UE comprend deux parties. La première partie est centrée sur les propriétés magnétiques des matériaux moléculaires formés de molécules paramagnétiques isolées. On s'intéresse aux molécules comprenant un et plusieurs centres magnétiques ce qui permet d'aborder le mécanisme de l'interaction d'échange et son influence sur les propriétés des complexes. La deuxième partie est centrée sur les propriétés magnétiques collectives au sein des solides. La notion d'électronique de spin est abordée et son application pour les capteurs magnétiques ultrasensibles.

Analyse de données magnétiques et interprétation des résultats de mesure de SQUID pour les matériaux moléculaires. Compréhension de la nature physique de l'anisotropie magnétique au niveau microscopique et macroscopique. Compréhension de la nature de l'interaction d'échange.

Cours et devoirs à rendre (non notés, mais corrigés en classe)

Molecular Magnetism, Olivier Kahn, VCH Publishers, 1993.

Chimie inorganique moléculaire, chimie des solutions, spectroscopies moléculaires, chimie de coordination, chimie des matériaux et cristallochimie

L'UE comprend trois parties : 

1-Matériaux hydrides Organiques-Inorganiques élaborés par voie-sol-gel, 

2-Chimie des Polyoxométallates et 

3- Matériaux hybrides poreux. 

Les différentes parties du cours s'attachent à développer les stratégies mises en œuvre par les communautés scientifiques pour élaborer les différents types de matériaux hybrides. Cet enseignement s'attache à mettre en relation la description structurale des matériaux avec leurs propriétés chimiques et physico-chimiques et leurs modes d'élaboration. Un autre aspect concerne les applications de ces matériaux dans différents domaines comme la catalyse rédox, la séparation ou les procédés électrochimiques....

L’enseignement propose une introduction aux matériaux organique-inorganique élaborés par voie sol-gel, à la chimie des polyoxométallates et aux matériaux hybrides poreux, domaines de recherches actuellement très dynamiques. Il a pour objectif de donner des bases en termes de stratégies de synthèse, de caractérisations et de propriétés des matériaux. Il prépare les étudiants à aborder un travail de recherche dans ces domaines et à lire la littérature associée.

L’enseignement est de type classique avec des cours magistraux pour 1 groupe d’étudiants.

Il est divisé en trois parties égales:  Introduction aux matériaux organique-inorganique élaborés par voie sol-gel, à la chimie des polyoxométallates, et aux matériaux poreux.

•Metal-Organic Frameworks for Environmental Applications’ 1st edition. (Eds : Sujith Ghosh), ELSEVIER- USA. 2019.
•"Polyoxometalate Molecular Science" Springer-Verlag New York Inc.; Édition : 2003 ed.

•Sol-gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-gel Processing, C. Jeffrey Brinker, ‪George W. Scherer, Gulf Professional Publishing, 1990

Avoir suivi un cours d’introduction à la chimie quantique ou à la mécanique quantique.

Cette UE vise à fournir une description avancée de la structure électronique des molécules ou du solide, et de ses conséquences sur certaines propriétés (structure, énergie et spectroscopies optiques, dynamique et/ou réactivité). Les méthodes de calcul traditionnelles ou plus élaborées sont examinées. Elle associe pour cela des cours visant à présenter les principes fondamentaux et de nombreuses illustrations, ainsi que des TP avec des logiciels permettant de mieux comprendre l’implication de ces principes sur des exemples concrets. Cette UE s’adresse donc non seulement à toute personne souhaitant continuer dans le cadre d’un parcours en chimie théorique (ou de physique de la matière condensée), mais également à des expérimentateurs (chimie organique/inorganique, matériaux, spectroscopie) amenés à interagir avec des théoriciens.  

• Théorie Hartree-Fock et Interaction de Configuration
• Théorie des Perturbations et Méthode Coupled Cluster
• Calculs de propriétés (spectroscopie,...)
• Théorie de la Fonctionnelle de la Densité
• Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendante du Temps (TDDFT)
• Méthodes Multi-configurationnelles : Champ multi-configurationnel auto-cohérent (MCSCF), théorie des perturbations de l'espace actif complet (CASPT2)
• Caractérisation de Surfaces d’Energie Potentielle (PES) et Dynamique Moléculaire
• Modélisation du Solide

Les apprentissages se répartissent à trois niveaux. D’une part, l’étudiant connaîtra les différentes méthodologies quantiques de représentation des systèmes moléculaires et périodiques et saura associer à chacune d’elles les interprétations physico-chimiques courantes et en déduire le domaine d’applicabilité de ces méthodes. D’autre part, l’étudiant sera capable de manipuler les équations et formalismes quantiques usuels. Enfin, il saura appliquer à l’aide de logiciels couramment utilisés ces méthodes et interpréter leurs résultats sur des problèmes concrets simples.

• 8 séances CM (4 heures/séance)
• 3 séances TD/TP (4 heures/séance)
• 1 projet attribué en début de semestre. Les étudiants élaboreront au cours du semestre un plan et une stratégie pour élaborer le projet avec un enseignant référent. Lors la dernière séance de travaux pratiques, les étudiants réaliseront les calculs et devront rendre un compte rendu.

• A. Szabo, N. S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover Science Books.
• T. Helgaker, P. Jorgensen, J. Olsen, Molecular Electronic-Structure Theory, John Wiley & Sons.
• D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, Academic Press Inc.
• F. Jensen, Introduction to Computational Chemistry, Wiley.

Chimie de coordination, champ cristallin, théorie des orbitales moléculaires, spectroscopie des éléments de transition, cinétique chimique.

L'UE comporte deux parties :

1- Photosynthèse, Photosystème II et modèles; Production de H2 (systèmes naturels, Modèles synthétiques et limites, Photocathode); Réaction à la cathode d’une pile à combustible; Réduction du CO2.

2- Activation de O2 par des Dioxygénases et Monooxygénases ("heme paradigm", MMO, Rieske Dioxygenases... : réactivité, mécanisme, propriétés spectroscopiques); Modèles synthétiques, catalyseurs d'oxydation. Activation de N2 par les nitrogénases, Rupture de la liaison triple NN par des systèmes synthétiques, transferts multiples électrons/protons.

Cette UE vise à mettre en exergue un certain nombre de principes mis en place dans la Nature afin de pouvoir les transposer au sein de complexes moléculaires pour la réalisation de réactions chimiques dans des conditions vertueuses et/ou la production de ressources énergétiques. Cet enseignement prépare les étudiants à   

• Connaître les principaux systèmes moléculaires de référence pour la réalisation de réactions vertueuses variées.
• Comprendre les mécanismes réactionnels.
• Appréhender les techniques de caractérisations.
• Prévoir les limitations des modèles synthétiques.

cours et travaux dirigés.

l'UE comprend 2 parties :

1- Chimie de coordination bioinspirée pour la production de différentes ressources énergétiques.

2- chimie de coordination bioinspirée pour la réalisation de réactions chimiques dans des conditions vertueuses.

Chimie Moléculaire des éléments de transition; François Mathey, Alain Sevin, les éditions de l'école polytechnique.

Bioinorganic Chemistry : Inorganic Elements in the Chemistry of Life; Wolfgang Kaim, Brigitte Schewederski; Wiley.

Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry; edited by Heinz-Bernhard Kaatz and Nils Metzler-Nolte; Wiley-VCH.

L’étudiant devra avoir suivi une formation en électrochimie niveau L3 et maîtriser les notions de base en thermodynamique et cinétique chimiques. A
cet égard, il se devra d’avoir déjà appréhendé des notions telles que la relation entre thermodynamique et force électromotrice d’une pile (ou tension à appliquer en électrolyse), l’utilisation et le tracé des courbes i-E en régime stationnaire ou l’influence de réactions chimiques sur le potentiel d’équilibre.

L’UE se traduit sous la forme de 3 types d’intervention :
* 2 Cours « chapeaux » en ouverture. L’un est dévolu à la mise en perspective de l’électrochimie dans le contexte actuel (énergie, environnement, analyse…). L’autre vise à présenter quelques notions essentielles pour pouvoir suivre la suite des interventions. La notion de double couche électrochimique est notamment abordée.
* Une suite d’interventions sous forme de cours magistraux interactifs et visant à développer les points suivants :
Partie A: comprendre une réaction électrochimique
Partie B: choisir une méthodologie appropriée
* 2 conférences interactives de 2 h avec des chercheurs invités
* L’étudiant aura également durant la formation à analyser un article de revue scientifique lié à un des aspects présentés lors de l’UE. Il aura alors à présenter une partie de cet article sous la forme d’un exposé oral.
Les enseignants se rendent par ailleurs disponibles pour des séances de tutorat.

Nous décrivons dans cette UE comment les méthodes électrochimiques actuelles peuvent être mises à profit pour analyser le fonctionnement de systèmes sous contraintes électrochimiques.  Les domaines applicatifs concernent l'environnement, la chimie analytique, la transition énergétique (photovoltaïque, batteries, électrocatalyse) ou encore la santé. Les objectifs consistent à présenter différents outils (ultramicroélectrodes, capteurs et biocapteurs) ou méthodes de l’électrochimie (voltammétrie, chronoampérométrie, impédance) qui permettent de faire « parler » l’information électrique. Une grande attention est portée aux concepts (transfert d’électron, diffusion) nécessaires à la mise en œuvre de telles techniques et à l'interprétation des résultats. Les exemples illustrant les cours sont très variés : molécules, objets biologiques (cellules, enzymes), matériaux nanostructurés, nanoparticules...

• Prédire des propriétés physico-chimiques ou la réactivité des molécules et/ou des matériaux en combinant l’ensemble des savoirs disciplinaires.
• Appréhender les propriétés liées à l’organisation spatiales de la matière et les aspects temporels des phénomènes chimiques

M1 chimie ou physique-chimie

Licence de Chimie ou Biologie

Au cours de cette UE, nous montrerons l’apport des techniques spectroscopiques, des microscopies et des approches physicochimiques dans l’étude de systèmes biologiques in vitro jusqu’à l’intégration dans la dimension cellulaire. L’objectif est de connaitre le principe de fonctionnement, l’instrumentation nécessaire, les applications et les limites de chaque technique.
Des mises en situation (3 mini-projets: spectroscopie de fluorescence, microscopie FLIM, AFM et son couplage à la spectroscopie IR) aident à devenir autonome sur des appareils de type laboratoire de recherche, de la préparation des échantillons à l’acquisition des données et jusqu’à leur traitement. C’est une première étape pour acquérir de l’aisance et pour choisir la technique adaptée à la question posée.
Cette UE permet de travailler ses facultés d’analyse et de synthèse ainsi que sa capacité à travailler en groupe notamment avec des étudiants issus de plusieurs M2.

Cette UE est constituée de cours et de TPs (> 50%). Une large gamme de techniques sera présentée ou bien dans des cours dédiés ou via des exposés présentés par les étudiants (Spectroscopies vibrationnelles (IR, Raman), Absorption, Spectroscopie et microscopie de fluorescence, diffusion de lumière (DLS), Dichroïsme Circulaire, résonance de plasmon de surface, micro-calorimétrie (ITC), champ proche (AFM et couplage IR)). Certaines techniques seront mises en pratique au cours de 3 mini-projets.

Notions de chimie des solides, thermodynamique

L'UE comprend deux parties: 1-Elaboration de nanomatériaux par voie de chimie douce, 2-Elaboration des matériaux polycristallins ou monocristallins "massifs".  Les deux parties du cours s'attachent à développer les différentes stratégies à mettre en œuvre pour élaborer des matériaux inorganiques sous forme nanocristalline ou sous forme massive.
L'objectif principal de la première partie est de montrer comment la maîtrise des réactions de polymérisation en solution et du procédé de mise en forme permettent de façonner un matériau sur mesure
L'objectif de la seconde partie est d'exploiter la connaissance des diagrammes de phase pour mettre en œuvre des stratégies de synthèses de matériaux polycristallins (nanostructurés ou non) ou polycristallins, en prenant en compte l'existence des défauts.

maîtriser des outils de mise en forme des matériaux et proposer des éléments de stratégie
Prédire l’évolution d’un système hors-équilibre et estimer sa vitesse d’évolution
A partir de la connaissance d’un diagramme de phase, établir une stratégie de synthèse et de mise en forme pour un matériau inorganique massif polycristallin ou monocristallin
A partir de la connaissance des réactions de polymérisation inorganique en solution, établir une stratégie de synthèse et de mise en forme pour un oxyde de n’importe quel cation de la classification périodique

L'enseignement sera effectué sous forme de cours, et de TD-études de cas issus d'articles scientifiques

* B.R. Pamplin, « Crystal Growth », Pergamon Press
* W.D. Callister, « Fundamentals of materials science and engineering », Hoboken
* F. Bensebaa, « Nanoparticle Technologies From Lab to Market », Academic Press
* D. Bernache-Assollant et coll., « Chimie Physique du Frittage », Hermès
* J.F. Marucco, « Chimie des Solides », EDP Sciences *C. J. Brinker, G. W. Scherer "Sol-gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-gel Processing", Gulf Professional Publishing, 1990
*J.-P. Jolivet, " De la solution à  l'oxyde."InterEditions / CNRS éditions, 1994.

Aucun.

1. Projet bibliographie : méthode de recherche bibliographique ; synthèse de données ; rédaction d’un rapport
2. Introduction à la valorisation des résultats de recherche et à leurs transferts : propriété intellectuelle, contrats, bases de données. Etapes clés de la valorisation ; problématique de la protection des résultats / enjeux de la propriété intellectuelle ; contractualisation / licensing ; bases de données.
3. Gestion de projet

Cette UE vise à initier les étudiants aux enjeux de propriété intellectuelle et valorisation des résultats de la recherche et de leurs transferts.

UE massée sur 1 semaine

• Compétences transverses : Apprendre, interagir avec les autres harmonieusement, et s'adapter aux différentes situations de la vie, pensée critique, prise de décision et résolution de problème, organisation personnelle
• Communiquer des informations et des résultats à différents publics en étant capable de décrire un protocole et d'organiser ses résultats
• Établir et réaliser une démarche scientifique en chimie, théorique ou expérimentale, de manière autonome en organisant son temps de travail pour atteindre les objectifs fixés

Stimuli-responsive molecules/materials for optoelectronics, sensors, information storage

Synthesis and properties of advanced molecular materials

Overview of sensors, fluorescent molecular probes, fluorescent organic nanoparticle probes, nano-hybrid systems, photoluminescent sensors for environment/health

Design and apply optical sensors for monitoring and diagnostics

Actions pédagogiques de l’alliance européenne EUGLOH (école d’été, formations transverses ou thématiques https://www.eugloh.eu/courses-trainings/)

Actions pédagogiques de l’alliance européenne EUGLOH (école d’été, formations transverses ou thématiques https://www.eugloh.eu/courses-trainings/) ou atelier CV / (e-)Portfolio Europass

Actions pédagogiques de l’alliance européenne EUGLOH (école d’été, formations transverses ou thématiques https://www.eugloh.eu/courses-trainings/)

Participation à des manifestations scientifiques (écoles d’été, journées thématiques, congrès junior)

Participation à des manifestations scientifiques (écoles d’été, journées thématiques, congrès junior) ou micro-certification "Les enjeux d'une chimie soutenable"

Projet de chimie théorique, de chimie inorganique ou de spectroscopie expérimentale

Renforcement du connaissances théoriques par le suivi d'une UE disciplinaire supplémentaire faisant partie du bloc 1.

aucun

Le stage donne lieu à une soutenance et un mémoire évalués.

• Compétences transverses : Apprendre, interagir avec les autres harmonieusement, et s'adapter aux différentes situations de la vie, pensée critique, prise de décision et résolution de problème, organisation personnelle
• Communiquer des informations et des résultats à différents publics en étant capable de décrire un protocole et d'organiser ses résultats
• Établir et réaliser une démarche scientifique en chimie, théorique ou expérimentale, de manière autonome en organisant son temps de travail pour atteindre les objectifs fixés