M1 Energie Matériaux

Pas de pré-requis.

Contenu :

Poursuivre l'acquisition des bases linguistiques en langue anglaise et développer les capacités des étudiant-e-s à communiquer oralement et à l'écrit dans cette langue.

Déroulement et organisation pratique :

Les cours d'anglais sont dispensés de manière régulière à hauteur de 3h/semaine au cours du premier semestre. Les étudiant-e-s sont réparti-e-s en fonction de leur niveau à l'entrée du Master.

Non pertinent.

Intérêt pour les questions économiques en lien avec l’énergie
Capacité de lecture en anglais
Capacité de rédaction, de synthèse

Contenu :

Ce module de formation a pour objet d’initier l’étudiant aux grandes questions économiques en lien avec l’énergie. Il s’agit d’opérer un travail de compréhension quant aux transformations récentes observées dans le secteur de l’énergie. Ce module vise également à traiter des enjeux socio-économiques de la transition énergétique actuelle.
Le premier temps traite du « poids » de l’énergie dans l’économie. Il s’agira de présenter les principales relations entre l’économie et l’énergie, l’offre et de la demande d’énergie et l’évolution historique des bilans énergétiques. Le second temps présente les fondements et outils de la politique énergétique, les grands principes de la régulation des marchés de l’énergie et les spécificités de diverses formes d’énergie : les énergies fossiles, le nucléaire, les énergies dites renouvelables et l’électricité. Le troisième temps renvoie à la relation énergie-climat. Ce temps est consacré à l’étude des principaux facteurs explicatifs des trajectoires d’émissions de dioxyde de carbone et à la construction des scénarios énergétiques. Les enjeux de la transition énergétique et de l’économie de l’hydrogène sont abordés.

Le module de formation comprend un cours structuré autour des trois temps évoqués ci-dessus et des séances de travaux dirigés centrées sur quatre thématiques :  -Le cours (3 chapitres) oChapitre 1 Le poids de l’énergie dans l’économie oChapitre 2 Fondements et outils de la politique énergétique oChapitre 3 La relation énergie-climat : quelles transitions énergétiques pour un réchauffement global à 1,5°C ? -Les travaux dirigés (4 thématiques autour de la transition énergétique actuelle) oTD 1 Faut-il attendre d’être « riche » pour se préoccuper de l’environnement ? Le rôle de l’énergie dans le découplage croissance-environnement. oTD 2 Quelle électricité pour demain ? Les enjeux autour d’un vecteur énergétique oTD 3 Scénarios énergétiques et agenda climatique : construction et simulation oTD 4 L’économie hydrogène : le pari du Japon.

Economie de l’énergie, Hansen J-P. & Percebois J., de Boeck sup., 2010 Transition énergétique : les vrais choix, Chevalier J-M., Cruciani M. & Geoffron P., Édition O. Jacob, 2013 Les enjeux de l’énergie après Fukushima, Iacona E., Taine J. & Tamain B., Editions Dunod, 2012 Or noir : la grande histoire du pétrole, Ozanneau M., Editions La découverte, 2016 Hyrogène : la transition énergétique en marche, Franc P-E. & Mateo P., Editions Manifestô, 2015.

•Connaissance en thermodynamique et cinétique électrochimique. •Connaissances en génie électrochimique.

Contenu 

Partie 1: Matériaux pour le stockage électrochimique de l'énergie 

•Enjeux du stockage et de la conversion de l’énergie. 

•Stockage électrochimique de l’énergie: batteries, micro-batteries. Technologie Li-ion. 

•Matériaux pour les batteries. 

•Les autres technologies : Batteries tout solide, Li-S, Li-air, Na-ion. 

Partie 2: Filière hydrogène 

•Transition énergétique et batterie hydrogène 

•La charge : l’électrolyse de l’eau. 

•La décharge : la pile à combustible.

Partie 3: Matériaux pour le nucléaire 

•Combustible nucléaire

•Gainage du combustible 

•Déchets et matières valorisables.

Partie 4: MOOC : Matériaux et Molécules pour l’Energie de demain.

•Connaître, comprendre et maitriser les matériaux pour le stockage de l’énergie et pour le nucléaire.
•Comprendre le principe des technologies de l’hydrogène-énergie.

Connaissances en analyse mathématique et en algèbre linéaire (UE Outils mathématiques pour les sciences des matériaux)

Les cours théoriques et pratiques abordent les aspects fondamentaux de la programmation et du calcul scientifique, qui sont ensuite appliqués à des exemples concrets lors des travaux pratiques sur machine.

Le programme traite des bases des méthodes numériques en Python, des structures générales de la programmation (boucles, opérateurs logiques, structures de tableaux, fonctions) ainsi que de l’introduction aux bibliothèques les plus courantes utilisées pour le calcul scientifique et la visualisation des données, telles que math, NumPy et Matplotlib.

Il comprend également les notions fondamentales d’analyse mathématique (dérivées, intégrales), la résolution de systèmes linéaires et non linéaires, les équations différentielles du premier et du second ordre, ainsi que l’étude et l’application des transformées de Fourier.

Une initiation à la modélisation vient compléter l’enseignement afin d’illustrer les applications concrètes de ces outils dans différents domaines de la science des matériaux.

L’objectif de cet enseignement est d’acquérir les bases des méthodes numériques permettant de résoudre des problèmes en mathématiques, en physique et en sciences des matériaux à l’aide du langage Python

enseignement en majeure partie pratique sur ordinateur

• Utiliser les outils numériques pour traiter et présenter des données scientifiques.
• Adopter une démarche critique et responsable dans l’usage des données et des outils numériques.
• Programmer en Python pour le calcul et la visualisation de données.
• Utiliser les bibliothèques scientifiques courantes (NumPy, Matplotlib).
• Modéliser des phénomènes scientifiques simples.
• Exploiter les outils informatiques pour l’analyse et la résolution de problèmes.

Mark Newman, Computational Physics with Python, ‎CreateSpace Independent Publishing Platform (2012)

Physique généraliste niveau Licence

Contenu:
• Introduction à la problématique générale
• La thermodynamique, la conversion de l’énergie et l’efficacité
• Machines thermiques et combustibles fossiles
• Energie nucléaire : fission et fusion nucléaires
• Energie renouvelable : photovoltaïque
• Energies renouvelables : éolien, hydro-électrique.
• Stockage de l’énergie et nouveaux matériaux.

Objectifs: L’énergie est l’un des problèmes contemporains majeurs qui fait appel à la physique. Ce module a pour but d’apporter une vision globale des différentes sources d’énergie ainsi que de donner quelques outils de physique nécessaires pour appréhender les ordres de grandeur et limitations des différents systèmes de conversion d’énergie.

Robert L. Jaffe, Washington Taylor, The Physics of energy, Cambridge University Press (2018).

Notions de base en physique, outils mathématiques (Géométrie analytique, calcul vectoriel, éléments de calcul différentiel).

• Rappels de Mécanique Quantique
• Introduction-Motivations à la Physique des Solides
• Électrons dans les solides
• Influence du potentiel périodique – structure électronique de bandes
• Structure électronique de bandes, calculs modernes
• Atomes et réseaux périodiques
• Aperçu des matériaux du futur et enjeux de la recherche autour des matériaux

Les buts de cette UE seront de décrire et comprendre la structure périodique des solides et les propriétés électroniques de bandes. Introduction aux calculs modernes, aux méthodes expérimentales modernes, et aperçus des enjeux de la recherche actuelle du domaine.

• Méthodes simples de calculs électroniques  
• Savoir utiliser les outils théoriques pour l’identification, à partir des données expérimentales, de la structure cristalline d’un matériau
• Apprendre à relier les propriétés microscopiques avec les propriétés macroscopiques des matériaux
• Apprendre les éléments de base du calcul et de l’interprétation de la structure électronique de bandes des solides

• Physique de l’État Solide (Charles Kittel)
• Solid state Physics (Ashcroft & Mermin)
• Band Theory and Electronic Properties of Solids (Singleton)

Notions de base d’algèbre linéaire, opérations des matrices,

Première partie :

Après une introduction à la cristallographie "géométrique" la description de la symétrie périodique est revue avec principalement la compréhension des notions de de classe cristalline, les notations de groupe d'espace, symétrie de site, espace réciproque, sphère d'Ewald. La détermination de la structure cristalline par diffraction X est abordée avec un descriptif des techniques expérimentales courantes.

Seconde partie :

nous chercherons à établir des liens entre les différentes présentations faites aux étudiants du réseau réciproque (physique du solide,  diffraction X, diffraction électronique). Les cours dispensés, associés à des travaux dirigés, traitent de l’analyse cristallographique de différents matériaux (nanoparticules ou alliages métalliques) et des techniques de microscopie électronique associées à ces études (imagerie champ clair, champ sombre, HAADF, mode STEM, haute résolution et diffraction X). Les outils mathématiques indispensables (transformée de Fourier) sont rappelés et mis en œuvre au travers d’exercices.

Ce cours a pour objectif l'initiation à la caractérisation structurale des solides organisés par l'utilisation de techniques de diffraction de rayons X, et à comprendre le fonctionnement d’un microscope électronique en transmission que ce soit en mode image ou en mode diffraction

Cette UE est organisée en deux partie successive, une première traitant de cristallographie et diffraction de rayons X, et une seconde de microscopie électronique en transmission.

Microscopie électronique en transmission. Transmission conventionnelle et balayage en transmission. Auteur(s) : François LOUCHET, Jean-Louis VERGER-GAUGRY, Jany THIBAULT-DESSEAUX, Pierre GUYOT. Techniques de l’ingénieur, 1988, P875 V1

Diffraction dans les métaux et alliages. Interaction particules-matière. Auteur(s) : Bernard JOUFFREY, Richard A. PORTIER. Techniques de l’ingénieur, 2007, M4125 V1

Diffraction dans les métaux et alliages : conditions de diffraction. Auteur(s) : Bernard JOUFFREY, Richard A. PORTIER. Techniques de l’ingénieur, 2007, M4126 V1

Etude des métaux par microscopie électronique en transmission (MET). Microscope, échantillons et diffraction. Auteur(s) : Mirek Karlik, Bernard Jouffrey Hawkes. Techniques de l’ingénieur, 2008, M4134 V1

Connaissances de bases en chimie, chimie du solide, cristallographie, thermodynamique chimique (Energies libres, potentiel chimique), outils mathématiques (équations différentielles, transformées de Fourier, loi binomiale)

Première partie :

Les fonctions thermodynamiques liées à la stabilité des différentes phases sont étudiées. On voit comment un diagramme de phases peut être calculé grâce à ces fonctions thermodynamiques. Enfin, on introduira comment, inversement, on peut modéliser un diagramme de phases ce qui permet la constitution de bases de données thermodynamiques (méthode Calphad). L'application de ces bases de données au développement de matériaux sera décrite brièvement.

2e partie :

Etude des phénomènes de transport de matière dans les solides qui sont à l’origine du vieillissement, des transformations de phase et de la réaction d’un système à un environnement extérieur. L’accent est mis sur les changements d’échelle pour lier les approches phénoménologiques à l’échelle macroscopique et les mécanismes de diffusion à l’échelle atomique. Les simulations numériques Monte Carlo à l’échelle atomique sont également présentées lors d’une séance de TP informatique. Les exemples traités dans le cours concernent les métaux, mais les mécanismes élémentaires et les méthodes présentées sont adaptables à d’autres classes de matériaux.

Cette unité d'enseignement permet de se former à la lecture des diagrammes de phases binaires et ternaires, et vise à donner des bases de compréhension des phénomènes de transport de matière dans les solides qui sont à l’origine du vieillissement, des transformations de phase et de la réaction d’un système à un environnement extérieur

• Notions sur la réactivité chimique 
• Notions sur la stabilité de phases
• Modèles phénoménologiques de transport
• Introduction à la physique statistique et aux changements d’échelle
• Méthodes de simulation de Monte Carlo atomique
• Introduction à la thermodynamique des systèmes forcés
• Lecture de diagrammes de phases binaires et ternaires
• Manipulations des fonctions d'énergies de Gibbs
• Notions sur l'existence de bases de données thermodynamiques et la méthode Calphad
• Propriétés des défauts ponctuels et mécanismes de diffusion
• Lien expérience/modélisation pour la diffusion
• Marche aléatoire sur un réseau
• Phénomènes de diffusion et de précipitation sous irradiation
• Introduction à la théorie classique de la germination

Notions de base en chimie, outils mathématiques.

Contenu :

Initiation au concept de développement durable.
Ce cours est structuré par deux aspects importants des relations entre environnement et énergie : pollution et ressources renouvelables. Une partie du cours est donc dédiée à la pollution inhérente à toute source d'énergie et aux moyens de les réduire, de les traiter, voire de les transformer en nouvelles ressources.
Les points sont abordés suivant le plan suivant:
- Impacts environnementaux en termes de pollution et d'utilisation des ressources énergétiques
- Matériaux durables. Energies renouvelables. Economie d’énergie.
- Les indicateurs du développement durable: méthodes bilan carbone, empreinte écologique, ACV.

Déroulement et organisation pratique :

Cette UE se déroule en fin de premier semestre sous forme de cours, TD et projet.

Notions de base en programmation informatique (langage Python) et en physique, outils mathématiques.

Dans la première partie l’outil numérique sera utilisé pour le calcul de quantité physique des solides (capacité thermique, constante de Madelung…). Dans une deuxième partie, les méthodes de dynamique moléculaire et simulation Monte Carlo seront présentées et appliquées à des problèmes de la science de matériaux (optimisation structurale, calcul de quantités thermodynamiques…). Enfin, dans une troisième partie, l’approche de champ de phase qui permet de simuler le vieillissement des matériaux aux temps longs sera mise en œuvre selon une approche des milieux continus via la notion d’onde de concentration, en vue de calculer non seulement les microstructures dans l’espace réel mais aussi les diagrammes de diffractions X et de microscopie électronique

L'objectif de cet enseignement est une présentation des bases de la simulation numérique pour la science des matériaux

Contenu :

Le scénario de l’accord de Paris, préconisant de mettre en œuvre les moyens d’adaptation et d’atténuation de l’impact des effets du changement climatique induit par les émissions de gaz à effet de serre, est utilisé comme schéma référent pour ce MOOC.
Compte tenu du public ciblé le MOOC sera réalisé en anglais et des sous-titrages anglais et français des vidéos de cours seront proposés pour la première édition. Le MOOC sera considéré comme un succès s’il atteint le nombre de dix mille participants au niveau mondial, une forte contribution au sein des pays acteurs de la transition énergétique est escomptée notamment au niveau européen mais pas uniquement.
Le projet est intitulé « MOOC Energy transition: innovation towards a low carbon future ».
Le contenu de ce MOOC n’est pas exhaustif de l’ensemble de la problématique de la transition énergétique mais il se veut représentatif des domaines de compétence de l’école pour les centres: l’objectif du MOOC étant d’attirer de jeunes talents dans ces différents programmes.

Enseignement à distance.

Thermodynamique chimique - Cinétique chimique

Contenu:
Thermodynamique de l’oxydo-réduction
Cinétique électrochimique
Corrosion des métaux et alliages
Stockage de l’énergie, batteries et condensateurs (mécanismes et modélisation du vieillissement).

Donner les bases de l’électrochimie appliquée à la corrosion et au stockage de l’énergie.

Notions de base en physique et en chimie, outils mathématiques.

Contenu :

Les travaux pratiques proposés portent sur deux aspects de la science des matériaux :
- la caractérisation : microscopies à force atomique et électronique à balayage, transport électronique ;
- les dispositifs : piles à combustible.

Cette UE permet d'acquérir des compétences expérimentales par la mise en œuvre des connaissances acquises dans les autres UE en bénéficiant de l'accès à des appareils de plateformes de recherche.

Notions de base en chimie et en thermodynamique, outils mathématiques

L'UE se déroule selon le plan suivant :
- Etat solide, cohésion et liaison
- Le cristal réel
- Structure-propriétés : matériaux fonctionnels.

Cette UE vise à donner les bases de la chimie du solide, mais aussi à introduire la notion de relation structure-propriétés en se basant sur des exemples actuels qui conduisent au développement de nouvelles applications.

Cette UE est constituée de cours et de TD, complétés par la réalisation d'un projet bibliographique à mener en groupe.

Chimie des solides, J. F. Marucco, EDP Sciences.

Notions de base en physique et en chimie, outils mathématiques.

Après la définition des concepts (surface, interface, monocouche, épitaxie, substrat, adsorption etc.), les deux principales catégories de procédés de croissance de couches minces sont présentées : chimique et physiques à partir des vapeurs. Les similitudes et les différences entre différents procédés sont présentées et discutées. A titre d’exemple, le dépôt de couches minces par évaporation est détaillé jusqu'à estimer la vitesse de dépôt du film. A tire de comparaison, un autre procédé de la famille des dépôts physiques en phase vapeur (PVD) est introduit, la pulvérisation cathodique.

Cette UE introduit les concepts fondamentaux pour comprendre la croissance des couches minces et les procédés afférents.

Notions de base en physique et en chimie, outils mathématiques

Cette unité d'enseignement doit permettre aux étudiants de comprendre comment l’étude de la microstructure d’un matériau peut souvent permettre de comprendre sa réponse à des sollicitations extérieures, qu’elles soient mécaniques, magnétiques, électriques ou thermiques. Cette compréhension des mécanismes physiques locaux permet souvent de mieux décrire quantitativement le comportement macroscopique. Le cours s’intéressera au comportement mécanique, ferroélectrique et ferromagnétique. La description des principaux mécanismes d’endommagement et de fatigue sera aussi abordée. A l’issue de ce module, on attend que les étudiants soient familiarisés avec la notion de lois de comportement, y compris lorsque les matériaux sont soumis à des sollicitations multiphysiques.

Mécanique des matériaux solides, J. Lemaitre et J. L. Chaboche, Dunod. Des matériaux, J. P. Baïlon et J. M. Dorlot, Presses Internationales Polytechnique. Matériaux - Ingénierie, science, procédé et conception, M. F. Ashby, H. Shercliff et D. Cebon, PPUR. Matériaux vol. 1 - Propriétés, applications et conception, M. F. Ashby et D. R. H. Jones, Dunod. Matériaux vol. 2 - Microstructures et procédés de mise en oeuvre, M. F. Ashby et D. R. H. Jones, Dunod.

• Notions théoriques d’interaction rayonnement – matière 
• Connaissances de base en optique et instrumentation (sources, lentilles, détecteurs)

Introduction

• Intérêt fondamental et applicatif - contexte industriel 
• Rayonnement, matière et interactions – Généralités 

PARTIE I – Spectroscopies optiques

• Fondements des spectroscopies optiques. 
• Principes, technologies et applications industrielles des spectroscopies optiques (en complément des travaux pratiques/projets) : absorption atomique, émission atomique, spectroscopie moléculaire d’absorption dans l’infra-rouge, diffusion Raman, spectroscopie moléculaire d’absorption dans l’UV-visible, spectroscopie d’émission de fluorescence.
• Effets de polarisation : dichroïsme linéaire et circulaire et polarisation de photoluminescence 

PARTIE II - Spectroscopies électroniques

• Principes de la photoémission
• Fondements et applications de la Spectroscopie de Photoémission par Rayons X et UV (XPS, UPS) et des spectroscopies apparentées (Auger, Fluorescence X)
• Analyse chimique des surfaces
• Introduction à la photoémission résolue en angle (ARPES) : étude de la structure de bandes des matériaux

Les processus d'interaction entre la matière et un rayonnement électromagnétique sont à la base des techniques spectroscopiques en physique du solide et chimie analytique, mais aussi pour des applications technologiques majeures (techniques d'imagerie, optique environnementale, optoélectronique, domotique..). L'objectif du cours est d'une part de faire une présentation générale de ces processus et d'autre part d'expliquer les propriétés spectroscopiques en relation avec les descriptions des atomes, des molécules, et de la matière en général et de faire le lien avec leurs propriétés ainsi que les applications de la spectroscopie appliquée aux matériaux.

• décrire les différents modes d'interaction entre un rayonnement et la matière,
• décrire les techniques spectroscopiques les plus utilisées dans l’industrie, leurs spécificités et leurs potentialités ; 
• expliquer leurs bases théoriques et expérimentales ; 
• identifier et catégoriser la nature d'une transition électronique ou vibrationnelle sur un spectre en fonction de l'énergie mise en jeu
• mettre en œuvre une analyse qualitative et quantitative, interpréter sommairement un spectre ; 
• choisir et développer la meilleure méthode d’analyse spectroscopique pour résoudre un problème donné.

Connaissances en mécanique quantique, physique et chimie des solides (UEs Physique du solide, Chimie du solide), mécanique, oscillateurs, interaction moléculaire, résistances des matériaux, calcul différentiel et intégral, optique, électronique de mesure

L'UE aborde les propriétés chimiques, mécaniques, optiques et magnétiques des nanomatériaux

Un accent particulier est mis sur les propriétés de surface, les états de surface et la densité d’états électroniques en fonction de la dimensionnalité (0D, 1D, 2D, 3D). L’enseignement explore également la structure électronique en fonction de la taille des nanostructures, ainsi que le rôle des liaisons pendantes (dangling bonds) dans la modification des propriétés locales.

La partie expérimentale introduit les principes et les applications de la microscopie à effet tunnel (STM) et de la microscopie à force atomique (AFM), outils essentiels pour l’observation et la caractérisation des surfaces à l’échelle atomique.

Cet enseignement propose une introduction approfondie aux nanosciences et aux nanotechnologies, ainsi qu’à l’étude du comportement de la matière aux petites échelles

• Utiliser les outils théoriques et expérimentaux appliqués à la caractérisation et à la modélisation de systèmes à l’échelle nanométrique.

• Développer une réflexion critique sur les enjeux scientifiques, technologiques

• Intégrer des approches interdisciplinaires (physique, chimie, science des matériaux) dans l’analyse et la conception de dispositifs nanostructurés.

• Comprendre les principes fondamentaux des nanosciences et des nanotechnologies.

• Identifier les propriétés chimiques, mécaniques, optiques et magnétiques des nanomatériaux.

• Expliquer le lien entre les états électroniques et les propriétés optiques des nanomatériaux.

• Comprendre les principes de la microscopie à force atomique. Mettre en œuvre des techniques expérimentales de caractérisation de surface, notamment la microscopie à force atomique (AFM).

• Comprendre, décrire, analyser et interpréter les résultats expérimentaux obtenus à l’échelle nanométrique.

Contenu :

Un stage d'une durée de 2 mois minimum est obligatoire afin de valider l'année de Master. Ce stage peut se dérouler en laboratoire de recherche académique ou en entreprise. Il vise une mise en situation sur un sujet en lien avec les matériaux. A partir de la rentrée, sensibilisation régulière à la recherche de stage via des réunions et des entretiens personnalisés. Le stage peut débuter dès le mois de mars et s'étendre jusqu'au mois de juillet inclus.

Déroulement et organisation pratique :

A partir de la rentrée, sensibilisation régulière à la recherche de stage via des réunions et des entretiens personnalisés. Le stage peut débuter dès le mois de mars et s'étendre jusqu'au mois de juillet inclus.