LDD3 Physique, Chimie

Introduction et aspects historiques
   La mécanique ondulatoire.
   Les outils mathématiques pour la physique quantique.
   Les postulats de la mécanique quantique.
   L’oscillateur harmonique et ses applications.
   Théorie générale du moment cinétique.
   Le moment cinétique de spin.
   L’atome d’hydrogène.

Quantique : rudiments , Jean-Marc Levy-Leblond et Françoise Balibar, Inter Editions CNRS, 1984.
– Physique Quantique : introduction , Christian et Hélène Ngo, Masson 1991.
– Introduction à la mécanique quantique , Jean Hladik et Michel Chrysos, Dunod, 2006.
– Mécanique Quantique , Christophe Texier, Dunod, 2011.

UE Electromagnétisme III

- Potentiels, jauge et propagation : le potentiel vecteur en statique : jauge de Coulomb, loi de Biot et Savart. Propagation des potentiels en dynamique, jauge de Lorenz. Potentiels de Liénard-Wiechert.

- Le dipôle de Hertz : champ rayonné, énergie, diagramme de rayonnement. Diffusion Rayleigh.

- Antennes : l'antenne demi-onde ; gain d'une antenne, résistance de rayonnement. Quelques exemples.

- Guide d'onde conducteur : principe, exemple du guide rectangulaire. Fréquence de coupure, modes TE/TM/TEM, dispersion. Cas du guide cylindrique. Applications.

- Guidage par fibre optique.

Rayonnement et guidage

Electrostatique, magnétostatique. Equations de Maxwell. Equation d'onde (d'Alembert). Dispersion, vitesse de groupe. Onde plane, sphérique. Polarisation d'une onde vectorielle. Energie électromagnétique, vecteur de Poynting.

Chapitre 1 : Milieux diélectriques, aspects macroscopiques 2h

Chapitre 2 : Milieux diélectriques, aspects microscopiques 2h30
Les 3 mécanismes de polarisation ; champ local et champ de Maxwell ; polarisabilité : définition et modèles classiques dans les trois cas ; relation entre polarisabilité et susceptibilité en milieu dilué ; ) milieux denses et ferroélectricité

Chapitre 3 : Propagation d’une OEM dans un milieu lhi 3h30 + coefficients de Fresnel 2h30

Chapitre 4 : Milieux aimantés, aspects macroscopiques
Courants d’aimantation équivalents Champs magnétiques B et H, relations de passage, exemple du cylindre aimanté, champ démagnétisant. Relation M(H). Milieux LHI. Couple, énergie, force et applications aux milieux LHI. Milieux ferromagnétiques, domaines, courbe de première aimantation et cycle d’hystérésis ; ferros durs et doux, quelques applications. 4h30

Chapitre 5 : Milieux aimantés, aspects microscopiques 3h

TD 0 : Révisions électrostatique, non traité en séance (corrigé en ligne).

TD1 : Milieux diélectriques, aspects macroscopiques 3h

TD2 : Milieux diélectriques, aspects microscopiques 3h

TD3 : Milieux diélectriques : régime variable et propagation d’une onde 4h. + coefficients de Fresnel 2h

TD4 : Milieux magnétiques : aspects macroscopiques 4h 

TD5 : Milieux magnétiques : applications macroscopiques 2h

TD6 : Milieux magnétiques : aspects microscopiques 2h

Milieux diélectriques et magnétiques.

- Principe fondamental de la dynamique, notamment en coordonnées polaires
- Travail des forces, théorème de l'énergie cinétique
- Théorème du moment cinétique pour une masse ponctuelle
- Théorème du moment cinétique pour un solide en mouvement plan
- Mathématiques : maitrise des projections de vecteur, et équations différentielles du premier
et second ordre à coefficients constants.

•       Rappels sur les théorèmes généraux de la mécanique pour les systèmes de points matériels (lois de conservation, théorèmes de Koenig)
•       Dynamique du solide indéformable pour des mouvements plans (centre instantané de rotation, roulement sans glissement, moment d’inertie, théorème de Huygens)
•       Mécanique Lagrangienne (introduction au principe variationnel, principe de Hamilton, équations de liaison et contraintes)
•       Oscillations couplées (fréquences propres et modes normaux)
•       Dynamique du solide indéformable pour des mouvements 3D (tenseur d’inertie, approximation gyroscopique, angles d’Euler, équations d’Euler, mouvement de Poinsot)
•       Introduction à la mécanique hamiltonienne

Preparation and Reactions of Organometallic Compounds

Grignard reagents, organolithium, organocuprate, and organozinc compounds – preparation and properties.

Reactions of Carbonyl Derivatives (Aldehydes and Ketones)

Nucleophilic additions (organometallics, alcohols, amines and analogues, hydrides, hydrocyanic acid, 1,4-addition, phosphoranes – Wittig reaction).

Acidity at the α-position of the carbonyl (alkylation, inter- and intramolecular aldol reactions, bromination).

Oxidation (Baeyer–Villiger reaction).

Reactivity of imines and reductive amination.

Reactions of Carboxylic Derivatives (Carboxylic Acids and Their Derivatives)

Alkylation of carboxylates, esterification, acid- and base-catalyzed hydrolysis of acid derivatives, decarboxylation of β-ketoacids, Claisen and Dieckmann condensations, malonic synthesis.

Reactions of Amines

Activation of the acid function, coupling agents, and diazomethane.

Rearrangement Reactions

Carbocation rearrangements (Wagner–Meerwein, pinacol rearrangement); Beckmann and Curtius rearrangements (and related reactions).

OA 1: Master the reactivity of carbonyl and carboxyl compounds, from their preparation to their use in multistep organic synthesis.

OA 2: Deepen knowledge of organometallic compounds of the most common transition metals.

OA 3: Carry out a chemical reaction using a given experimental procedure – maintain and document a laboratory notebook.

Enseignements avec cours magistraux en français et travaux dirigés en anglais . Mise à disposition d’éléments pédagogiques numériques, documents de cours et TD, annales de partiels et d’examens.

Traité de Chimie Organique, Vollhardt, Schore, éditions de Boeck

• Chimie Organique, Clayden, Greeves, Warren, Wothers, éditions de Boeck
• Chimie Organique, les grands principes, J. Mc Murry ; éditions Dunod
• Le cours de Chimie Organique, J. Maddaluno ; éditions Dunod

Modules de chimie organique du L1 et du L2

Isomérie-stéréoisomérie (niveau 2) :
Analyse conformationnelle
Décrire les interactions déstabilisantes dans des cyclohexanes et dérivés (interaction butane gauche)
Détermination des enthalpies libres des équilibres conformationnels pour les cyclohexanes polysubstitués, y compris décalines et acétals cycliques

Stéréoisomérie - chiralité
Chiralité, pouvoir rotatoire, énantiomérie, diastéréoisomérie
Activité optique en absence de carbones asymétriques (chiralité axiale) Exemples des allènes, spiranes, hémispiranes, etc.
Notions de prochiralité et topologie

Réactions de substitution nucléophile et b-élimination (niveau 2) :
Groupes partants : dérivés halogénés et activation de la fonction alcool (OTs, OMs, etc)
SN1 et SN2 : influence de la structure du substrat et des conditions expérimentales (effets de solvant, de groupes partants, participation du groupe voisin)
b-éliminations E1, E2 et E1cb ; compétition E1/E2/E1cb et SN/E et élimination d’Hoffmann

Généralités, définition, nomenclature, et propriétés
Préparations des alcynes et leur réactivité
Réactions de réduction (H2, boranes, LiAlH4, …) ; d’addition (X2, HX, H2O/H+, …) et cycloaddition.
Réaction des alcynures : (substitution, addition, ...)

Pratiques de laboratoire
Maîtrise des techniques générales expérimentales en chimie organique. (séparation, purification, analyse).
Synthèse de composés organiques en appliquant un protocole adapté.
Utilisation de verrerie adaptée et conditions expérimentales pour des transformations simples ou plus complexes.
Rédaction d’un cahier de laboratoire.

OAV 1 : Approfondir les connaissances en isomérie et stéréoisomérie
OAV 2 : Maîtriser les réactions de substitution nucléophile et de b-élimination
OAV 3 : Décrire la synthèse et la réactivité des alcynes
OAV 4 : Mettre en place la synthèse de composés organiques, les isoler, les purifier et caractériser. Rédiger et utiliser un cahier de laboratoire

Enseignements avec cours magistraux en français et travaux dirigés en anglais. Mise à disposition d’éléments pédagogiques numériques, documents de cours et TD, annales de partiels et d’examens.

Traité de Chimie Organique, Vollhardt, Schore, de boeck
Chimie Organique, Clayden, Greeves, Warren, Wothers, de boeck

Chimie du solide L2. bases sur les structures simples (CsCl, NaCl, ZnS, et les empliements (HC, CFC, CC, CS)

Introduction générale sur les matériaux, la chimie du solide. Grandes familles de matériaux, liaisons et Energie. Empilement : règle des rayons (métalliques, ioniques), sites et occupations des sites . Liaison métallique. Modèle des électrons libres, presque-libres. Semi-conducteur. Energie réticulaire. Diagrammes de phases : lecture et applications aux oxydes, utilisation pour l’élaboration des matériaux (croissance cristalline)

Savoir classer les matériaux selon leur énergie, la nature des liaisons / Définir la notion de « cohésion » d’un cristal et l’Energie associé / Savoir calculer une Energie réticulaire / Savoir définir la notion de « cohésion » d’un cristal et l'énergie associé lire et utiliser un diagramme binaire pour élaborer un matériau, Savoir calculer une énergie réticulaire

Semestre 2.

M. Van Meersche & J. Feneau-Dupont, Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale, Van Der Editeur, Louvain, 1973, Peeters, Editeur, Bondgenotenlaan 153, B-3000 Leuven/Louvain 1988, Peeters.

J.P. Eberhart, Méthodes physiques d'étude des minéraux et des matériaux solides, Doin 1976R.W.G. Wyckoff, Crystal Structures. Vol. 1 à 6, John Wiley, New York 1948 à 1963.

A.F.Wells, Structural Inorganic Chemistry, Oxford Scient. Pub., 5èmeéd., 1982.

J. Cazaux, Initiation à la physique du solide. Exercices commentés, Masson, 1971

B. Cagnac et J.C. Pebay-Peyroula, Physique atomique tome 1, page 176-187, Dunod, 1971

Bases de cristallographie simple et de symétrie

Introduction : Symétrie dans la nature. 

• Partie A. Cristallographie
  Ordre à courte et longue portée. Cristal
  Eléments de symétrie. Axes et miroirs simples, avec glissement.
  Projections stéréographiques
  Lire et utiliser les tables de cristallographies (groupe d’espace, classe cristalline, ordre d’un groupe, position de Wyckoff, dessins et projections)
• Partie 2 : DRX
  Appliquer la loi de Bragg et utiliser les conditions d’extinctions systématiques
  Calcul des parametres de maille

- Etre capable d'identifier et d'utiliser des éléments de symétries propres et impropres (axes hélicoïdaux, miroirs avec glissements). -- Ecrire un groupe d'espace en utilisant les notations internationales. identifier un groupe d'espace. 
- Réaliser des projections stéréographiques. appliquer les bases élémentaires de diffraction des rayons X pour calculer des paramètres de maille (système cubique, quadratoique, orthorhombique) et identifier le mode de réseau.

Semestre 5. un QCM est réalisé et contribue à une note de CC. Un examen final évalue les connaissances.

M. Van Meersche & J. Feneau-Dupont, Introduction à la cristallographie et à la chimie structurale, Van Der Editeur, Louvain, 1973, Peeters, Editeur, Bondgenotenlaan 153, B-3000 Leuven/Louvain 1988, Peeters.

A. Guinier, Théorieet pratique de la radiocristallographie, Dunod 1956

J.P. Eberhart, Méthodes physiques d'étude des minéraux et des matériaux solides, Doin 1976R.W.G. Wyckoff, Crystal Structures. Vol. 1 à 6, John Wiley, New York 1948 à 1963.

Représentation des molécules (semi-développée, topologique), calcul des insaturations, connaissances des effets électroniques.
Spectrométrie de masse: rupture homolytiques et hétérolytiques, fragmentations en impacts électroniques pour les cétones, aldéhydes, amines, alcools.
Spectroscopie RMN: connaissances sur les observables (déplacement chimique, couplage scalaire, intégration), notion sur le spin nucléaire, connaissance de l'équivalence chimique et magnétique, lecture des tables RMN, analyse de système de spins simples (AX) du premier ordre.

Spectroscopie RMN 1H : Spin nucléaire. Déplacement chimique, intégration; relation avec la structure (effets électroniques, d'anisotropie, intermoléculaires) Couplage scalaire ; valeurs des constantes de couplage scalaire et structure moléculaire. RMN du premier et du second ordre. Systèmes de spins : AB, AX, ABX, AMX, AA’BB’, AA'XX'. Découplage chimique et radiofréquence.

Spectrométrie de masse : Eléments d'un spectromètre de masse, lecture d'un spectre de masse, sources d'ionisation (IE, IC et ESI), choix d'une source adaptée à l'échantillon et à l'analyse, fragmentations des dérivés carbonylés.

Analyse structurale de molécules organiques par spectroscopie RMN 1H et spectrométrie de masse

Introduction à la Résonance Magnétique Nucléaire : avec 204 illustrations en couleurs, Serge Akoka chez Ellipses; 2022. ISBN : 9782340073265
Spectrométrie de masse, 3ème éditions, Hoffmann et Stroobant chez Dunod. ISBN 978-2-10-049449-1

Algèbre linéaire, espaces vectoriels de dimension finie et infinie.

Systèmes d’équations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles.

Algèbre linéaire, espaces vectoriels de dimension finie et infinie Systèmes d’équations différentielles et introduction aux équations aux dérivées partielles
- Opérateurs vectoriels grad, div, rot, laplaciens scalaire et vectoriel. Théorèmes intégraux : Ostrogradski et Stokes. Intégrales de contour, de surface, de volume. Exemples : théorèmes de Gauss, théorème d’Ampère avec un exemple type pour chaque (plan infini chargé / solénoïde infini).
- Equations de Maxwell. Propagation d'une onde et équation de d'Alembert. OPPHM. Polarisation linéaire, circulaire, elliptique. Dispersion, vitesse de phase, vitesse de groupe.
- Energie électromagnétique, vecteur de Poynting. Energie d'une distribution de charges.
Le dipôle électrostatique : moment dipolaire, lignes de champ, énergie potentielle dans un champ extérieur. Complément : le dipôle magnétique.

Mathématiques S5

Programme
Fonctions d’une variable complexe
Dérivation, intégration, fonctions multivaluées, transformations conformes, potentiel complexe en hydrodynamique.
Distributions
Espaces D et D’, distributions régulières et singulières, opérations sur les convolutions (dérivation,convolution…), transformée de Fourier.

"Mathématiques pour la physique et les physiciens !", Walter Appel, H&K Éditions

Attendus de l'UE Langue-Anglais4 : Niveau B2+/C1 dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais3 et le travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou à visée professionnelle) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences et on s'attachera à la préparation de l'étudiant aux différentes tâches liées à son activité scientifique telles que la rédaction d'un compte rendu d'expérience, le commentaire d'un graphique, la desciption d'un processus mais aussi à son insertion dans le monde professionnel : rédaction d'un CV ou d'une lettre de motivation en vue d'un stage... On proposera une initiation au débat ainsi qu'un entraînement à la certification CLES 2.

Cette UE s’adresse à tout étudiant souhaitant parfaire son niveau d’anglais ou désireux d’apprendre ou approfondir une autre langue.
Le travail se fera par groupes de niveau (3 niveaux minimum, y compris grands débutants) qui sera déterminé par un test préalable. On travaillera les 5 compétences (lire, écrire, écouter, parler et interagir) en prêtant une attention toute particulière à la compréhension de l’oral et l’expression orale en interaction.
L’objectif est d’être autonome dans des situations de la vie quotidienne et/ou professionnelle.

Ouverture sur la recherche en Physique à travers des conférences le mercredi midi

Les nanosciences et les nanotechnologies forment aujourd’hui un secteur stratégique de la recherche au carrefour de plusieurs disciplines (physique, chimie, biologie…). Cet enseignement est une introduction aux nanosciences en chimie.Il a pour objectif de sensibiliser les étudiants aux problèmes spécifiques liés à l’élaboration, à l’étude et aux propriétés des objets de taille nanoscopique.
Le cours porte sur les principales stratégies mises en œuvre pour l’élaboration d’objets organiques, inorganiques et carbonés de taille nanoscopique (polymères organiques, polymères inorganiques, fullerènes et nanotubes de carbones). Il présente aussi les effets de taille sur les propriétés des objets ainsi que les problèmes de caractérisation liés à leur taille, les problèmes de toxicité et leurs applications dans divers domaines.
Deux séances de Travaux Pratiques pour illustrer des notions abordées en cours sont proposées :
-Synthèse de nanoparticules magnétiques d’oxyde de fer de taille contrôlée - Ferrofluides
-Synthèse de billes de latex par polymérisation en émulsion

Cet enseignement est une introduction aux nanosciences en chimie. Il a pour objectif de sensibiliser les étudiants aux problèmes spécifiques liés à l’élaboration, à l’étude et aux propriétés des objets de taille nanoscopique.

Contexte
Une étude très documentée de l’American Physical Society (APS-2008) évalue à 12.6% le rendement de conversion entre le potentiel énergétique de l’essence et la puissance motrice utilisée au niveau des roues motrices des véhicules automobiles (tank to wheel efficiency), ce chiffre descend à 11% si les dépenses énergétiques liées à l’extraction au raffinage et au transport de l’essence sont prises en compte (well to wheel efficiency), nous somme donc loin des 30% affichés par les constructeurs…
Les questions de l’efficacité et du rendement des systèmes de conversion et de stockage de l’énergie, questions de physique appliquée, sont ainsi souvent obscurcies par les enjeux économiques (commerciaux) et sociétaux (politiques). Les choix, à venir, de transition énergétique implique une clarification physique et, dans cette perspective, appellent à une réactualisation de nos cursus de physique appliquée.
Au-delà de l’expertise physique amont pour les choix politiques à venir, le renouveau de l’enseignement de l’énergétique physique offrira aussi des formations en phase avec la nécessité de l’innovation dans ces domaines de hautes technologies.
L’enseignement décrit ici propose un ensemble de méthodes, outils et résultats permettant aux physiciens de comprendre et comparer les systèmes classiques et innovants de conversion et de stockage de l’énergie, conversion et stockage orientés vers le vecteur électrique.
Les gradients de variables intensives constituent des écarts à l’équilibre thermodynamique permettant d’extraire du travail de notre environnement ou de stocker de l’énergie libre : différences de potentiels mécanique et électrique, pression, température et potentiel chimique.
Les procédés de stockage d’énergie doivent œuvrer au maintien de ces gradients pour préserver la disponibilité de ces sources d’énergies libres. Les procédés de conversion d’énergie, utilisant ces sources d’énergies libres, sont toujours accompagnés d’une production d’entropie. L’extraction d’énergie libre des gradients de potentiel mécanique, de potentiel électrique et de pression, mettant en jeu un petit nombre de degrés de liberté cette production d’entropie est faible et l’efficacité des machines hydrauliques, pneumatiques et électriques est voisine de l’unité. Par contre, l’utilisation des gradients de températures et de potentiels chimiques est fortement limitée par le fait que l’énergie cinétique d’agitation thermique (température), et l’énergie potentielle d’engagement au sein de liaisons chimiques (potentiel chimique), sont distribuées sur un très grand nombre de degrés de liberté, ainsi la production d’entropie est élevée et l’efficacité plus faible.
Programme
Ce cours est articulé autour de deux axes principaux :

L’étude des concepts et méthodes de la physique des processus irréversibles, orientée vers la problématique de l’efficacité de stockage et de conversion énergétique vers la forme électrique. La présentation les deux principaux types de convertisseurs : les machines thermiques de Carnot et les machines chimiques de Van’t Hoff. La description et l’analyse physique des principes et limitations des générateurs photovoltaïques et électrochimiques (piles à combustible).

Conversion et Dissipation, processus irréversibles

Energie et entropie, conservation et conversion Flux couplés et Conversion d’Energie Physique des machines Thermiques et Chimiques Machines de Carnot, machines de Van’t Hoff et machines de Landsberg Rendement de Van’t Hoff Machines endoréversibles Cycle exoréversible à régénération Efficacité de Novikov-Curzon-Ahlborn

Physique des stockages capacitif et inductif

Stockages inductif et capacitif Comparaisons des performances (J/m3, J/kg…) des procédés de stockage Unification et comparaison des procédés de stockage à travers le théorème du viriel

Conversion et Stockage Electrochimique

Equilibre de Nernst, interface métal-Solution Machines électrochimiques de Butler-Volmer Surtensions et polarisations, irréversibilité Surtension d’activation, irréversibilité Piles à hydrogène, conversion et stockage

Conversion et efficacités Photovoltaïque

Lois de Kirchhoff et luminance du Corps Noir Conservation de l’Etendue optique Entropie et Concentration Conversion Photovoltaïque, cellule à 2 niveaux Efficacité de Landsberg Relation de Shockley, limite de Shockley-Queisser

J-M RAX, Physique de la Conversion d’Energie, Editions EDP-Sciences, Collection Savoir Actuels, 340 pages, 210 figures, 2015.
G. BOYLE, B. EVERETT, J. RAMAGE, Energy systems and sustainability, power for a sustainable future, Oxford University Press, Oxford, 2004.
P. WURFEL, Physics of solar cells from principles to new concepts, Wiley-VCH, Weinheim, 2005.
R.DECHER, Energy conversion systems, flow physics and engineering, Oxford University Press, New York Oxford, 1994.
R.A. HUGGINS, Energy storage, Springer, New York, 2010.

•  Intérêt pour les propriétés physiques et l'organisation des matériaux à l’échelle atomique
• Assimilation des cours de mécanique et de mécanique quantique (notion d’énergie potentielle, oscillateur harmonique quantique).
•  Physique des ondes et phénomènes d’interférences/diffraction.

• Dans cet enseignement, on se propose de décrire d’un point de vue physique les interactions entre les atomes, à l’origine de la cohésion de la matière solide. Ces interactions conduisent à une structuration de la matière à l’échelle atomique, avec un degré d’ordre dépendant de la température et du nombre de configurations accessibles dans l’état fondamental.
• Les cristaux périodiques constituent l’une des deux formes les plus ordonnées de la matière. Ils présentent des propriétés physiques au cœur d’une multitude d’applications en optique, en électronique ou encore en matériaux de construction. Nous verrons que la description de l’ordre dans les cristaux périodiques repose sur une infinité d’opérations de symétrie, dont les symétries de translation décrites par le réseau cristallin. Une introduction aux concepts de la cristallographie permettra de mettre en évidence les liens entre symétries et propriétés physiques.
• Au niveau microscopique, la matière solide n’est pas figée. Les atomes vibrent autour de leurs positions d’équilibre, et du fait de leurs interactions conduisent à la propagation d’ondes élastiques. Sur la base du modèle de l’oscillateur harmonique quantique, nous montrerons que l’énergie de vibration est quantifiée, et nous introduirons la notion de phonon, le quantum d’énergie de vibration.
• La description des structures atomiques et de leurs dynamiques repose sur des techniques expérimentales à même de résoudre des distances de l’ordre de l’angström (1 Å = 1E-10 m) et des énergies de vibration de l’ordre du meV. Nous introduirons la diffraction des rayons X, qui est la technique expérimentale la plus utilisée pour étudier les structures atomiques, puis nous donnerons un bref aperçu des techniques spectroscopiques que permettent de résoudre les niveaux vibrationnels dans la matière (spectroscopies Raman et infrarouge, diffusion inélastique des neutrons).

Cristallographie géométrique et radio-cristallographie, J-J Rousseau & A. Guibaud, Dunod 2007.
– Problèmes de cristallographie, J Lazjerowicz-Brunneteau et P. Ducros, Dunod 1967. – Diffraction des rayonnements : introduction aux concepts et méthodes, J. Protas, Dunod 1999

Cette option est un module d’ouverture vers le domaine des Sciences de la Terre.
Une meilleure caractérisation et compréhension de l’évolution de la Terre repose sur différentes
techniques géophysiques : gravimétrie, sismique, magnétisme…

Deux sujets seront abordés en particulier :

1. Géodynamique :

   évolution du système terrestre : mouvements de la Terre et leurs conséquences
   enveloppes externes et internes de la Terre
   les phénomènes internes et externes et leurs manifestations en surface
   champ magnétique terrestre, tectonique de plaques, croûte terrestre, volcanisme,
   tremblements de terre
   formation des océans et de chaînes de montagnes
   impact d’altération et du climat sur le relief

2. La Terre dans le système solaire : planètes de notre système, en particulier les planètes telluriques et
   leur comparaison avec la Terre.

L’option d’Astrophysique du parcours de L3 Physique et Applications permet de découvrir les grands concepts liés aux Systèmes stellaires et planétaires. Nous étudierons les principes physiques gouvernant la formation et l’évolution de ces systèmes ainsi que les moyens dont nous disposons pour les caractériser. Les missions spatiales, notamment d’exploration du Système Solaire, constitueront des exemples concrets sur lesquels nous pourrons nous appuyer.

Programme :

Mécanique spatiale – orbites et trajectoires des astres et satellites artificiels Naissance et évolutions des systèmes solaires – Etoiles, petits corps et planètes Mesures isotopiques – datation et mise en évidence de processus astrophysiques Transfert radiatif, bilans énergétiques et mesures associées Instrumentation spatiale : l’exemple de la spectroscopie infrarouge

Cette UE est un entraînement aux oraux destinée aux étudiants qui souhaitent se présenter aux concours d’admissions sur titre aux écoles d’ingénieurs.

Essentiellement une préparation aux épreuves orales des écoles d'ingénieurs ("colles"). Mais également des préparations aux entretiens, lettres de motivation, etc.

La médecine fait appel à de nombreuses méthodes diagnostiques et thérapeutiques basées sur les concepts et technologies du domaine de la Physique. Ce cours propose de donner une vision globale des problèmes fondamentaux de physique en lien avec l’imagerie médicale, les traitements du cancer et la radioprotection. Des notions de base d’interaction des rayonnements avec la matière biologique seront données afin d’aborder les concepts et méthodes utilisés en physique médicale.

L’objectif de cette option, dispensée entièrement en anglais, est d’offrir un premier contact avec les systèmes dynamiques, la physique du chaos, et la formation de motifs. L’enseignement sera fait sous forme de cours magistraux (~ 15 heures), mais une part notable du temps sera dédiée à des travaux dirigés (~10 heures) qui seront complétés par des études numériques simples que les étudiants pourront accomplir par eux-mêmes chez eux ou à l’Université.
Les exemples d’application seront extraits de diverses branches de la science dont la physique, l’astrophysique, la chimie, la biologie.

Cette option d’introduction se déclinera essentiellement autour des thèmes suivants :

Systèmes non-linéaires, portraits de phase, points fixes, stabilité Systèmes dynamiques discrets, suite logistique Chaos : introduction, bifurcations, transition vers le chaos, attracteurs étranges Morphogenèse, modèle de Turing Instabilités hydrodynamiques (e.g. Rayleigh-Bénard)

Les postulats de la Relativité et leurs conséquences : temps, espace et relativité – Les postulats d’Einstein – Dilatation des temps et contraction des longueurs – La transformation de Lorentz : simultanéité et causalité.
L’espace-temps : diagrammes d’espace-temps et applications – Composition des vitesses, aberration de la lumière – Espace de Minkowski : invariants de Lorentz, quadrivecteurs – L’effet Doppler.
Dynamique relativiste : dynamique des particules libres – Référentiel du centre de masse – Application aux collisions élastiques ou non, aux désintégrations – Forces électromagnétiques et transformations des champs électrique et magnétiques.

Dans l’état solide, les matériaux présentent une grande diversité de propriétés physiques : électriques, magnétiques, thermiques, optiques, etc…
Nous essaierons de comprendre pourquoi en introduisant quelques modèles de base pour les propriétés les plus importantes, telle que la conduction électrique dans les métaux ou dans les semiconducteurs, le magnétisme ou encore les propriétés thermiques des solides. On expliquera les idées physiques et les modèles pour les transitions de phase magnétiques et de transition supraconductrice.
On discutera quelques-unes des nouvelles propriétés liées à la miniaturisation et la nanotechnologie.
Dans ce cours introductif on présentera des calculs simples de manière à rester aussi quantitatif que possible, tout en mettant l’accent sur les idées physiques. Des connaissances de physique statistique et de mécanique quantique seront requises.

Descriptif du cours
Les sciences du patrimoine visent à apporter des connaissances aux restaurateurs du patrimoine, aux conservateurs et aux historiens de l’art sur les objets patrimoniaux. Ces connaissances sont rendues possibles par l’analyse de la nature des matériaux, de leur âge, ainsi que de leur état de conservation.
L’imagerie scientifique occupe aujourd’hui une place centrale dans ces analyses car elle fait le pont entre l’appréciation visuelle de l’objet et des éléments liés à l’analyse scientifique.
Conçu sur le mode binaire, avec un apport théorique et des séances pratiques, cet enseignement propose d’aborder les problématiques de recherche du domaine de l’optique par un prisme innovant, en le confrontant à celles de l’art et à la rencontre avec la pratique d’une artiste.
Parallèlement aux heures d’enseignement à l’Université, plusieurs visites de laboratoires de recherche experts dans le domaine des sciences du patrimoine seront proposées aux étudiants. Ces sorties occasionneront la rencontre avec des physiciens dans leur environnement de recherche, ainsi que la découverte d’équipements et d’outils spécifiques à la production de cette imagerie scientifique.
En croisant l’expérience artistique et l’expérience scientifique, la volonté de ce nouvel enseignement est d’éveiller les étudiants aux enjeux que posent la production et l’analyse d’une image. Comment s’exerce notre perception de l’image quand on la déplace de son champ de lecture ordinaire ? Quand d’objet témoin d’un phénomène ou d’un fait scientifique, elle devient source potentielle de récits artistiques en convoquant l’imaginaire de ceux qui l’utilisent et la manient ?
Déplacer son regard, percevoir la pluralité des significations et des occurrences d’une image, voici ce que les étudiants seront amenés à expérimenter durant les 12 séances de l’enseignement, avec pour aboutissement la création d’une œuvre collective, conçue et fabriquée avec l’artiste.
Cet enseignement repose sur un binôme physicien-artiste qui conçoit l’enseignement de bout en bout afin de s’assurer de sa pertinence et de sa qualité sur les deux volets disciplinaires.
Objectifs d’apprentissage
A l’issue de cet enseignement, les étudiants seront capables :

D’expliquer le principe physique des différentes techniques d’imagerie scientifique présentées, de les comparer et d’interpréter les images scientifiques obtenues, D’expliquer et d’identifier les différents éléments clé qui interviennent dans l’apparence visuelle d’une oeuvre, D’utiliser une ou plusieurs images pour en produire une oeuvre, De témoigner à travers différents supports (oral, écrit, dessins ou autre production) de son cheminement dans son appropriation de l’imagerie scientifique : de la technique à l’œuvre artistique.

Déroulé
L’enchaînement des différentes séances n’est pas encore précisément (condition sanitaire, disponibilité des lieux et des personnes). Ce contenu peut être amené à évoluer.
Cet enseignement comporte 12 séances de 2h chacun (sauf pour l’atelier collectif) :

1 projection des oeuvres de Mathilde Lavenne, suivi d’un échange avec l’artiste (date et lieu à confirmer) 1 visite du Centre Pompidou autour d’oeuvres choisies, par un binôme constitué d’un conférencier et d’un chercheur en optique (Gaël Latour) 3 visites de laboratoires ayant une activité de recherche autour des sciences du patrimoine avec un accueil des chercheurs dédiés à ces thématiques : o IPANEMA et le synchrotron Soleil (Saint –Aubin) o Centre de Recherche sur la Conservation des Collections (Museum National d’Histoire Naturelle de Paris, Paris) o Laboratoire d’Optique et Biosciences (Ecole Polytechnique, Palaiseau) 5 séances de cours à l’université 1 séance d’atelier de création collaborative d’une journée complète un samedi (date et lieu à confirmer, mois de mars) 1 séance de présentation des oeuvres et de leurs réflexions autour de l’imagerie scientifique tout au long du semestre (dernière séance)

Fonctionnement et déroulé des séances
Les étudiants devront être actifs tout au long des séances de cet enseignement. Il leur sera demandé de consigner dans un carnet de bord leurs apprentissages ainsi que leurs questionnements et leurs
réflexions autour de l’imagerie scientifique et de son utilisation pour la production artistique. Une activité pourra être demandée d’une séance à l’autre afin de s’assurer de la posture active et dynamique des étudiants et de garantir le cheminement de chacun.e en vue de la production d’un objet artistique.
La production artistique se fera au sein par groupes de 3 étudiants.
Les étudiants devront se rendre disponible une journée complète un samedi du mois de mars (production artistique), cette séance fait partie intégrante de l’enseignement.
Evaluation
L’évaluation est sous forme de contrôle continu. Elle sera basée sur les éléments suivants :

Des traces (production d’écrits, de schémas, de dessins) seront demandées aux étudiants tout au long du semestre, certaines de ces activités sont évaluées, Présentation des oeuvres des étudiants accompagnées d’un oral qui présentera les images utilisées (la technique, les principes physiques présentés durant les cours) et leur utilisation pour une production artistique (dernière séance).

Cette UE nécessite quelques prérequis : il est recommandé d’avoir des notions de base sur les systèmes colloïdaux et les émulsions, ainsi qu’une connaissance générale des principales familles de substances naturelles (huiles essentielles, extraits végétaux, etc.).

Cet enseignement consiste en une introduction à la cosmétologie et à ses diverses applications. Le plan de cours est le suivant :La réglementation
•        Les formes cosmétologiques
•        Les matières premièresQuatre séances de Travaux Pratiques pour illustrer des notions abordées en cours sont proposées :
•        Préparation d’une lotion ainsi que d’une eau micellaire démaquillantes
•        Préparation d’une crème cosmétique hydratante
•        Préparation d’un dentifrice
•        Formulation d’un vernis à ongles sensibles aux UV
Enfin,  un projet personnel réalisé en binôme sera proposé aux étudiants, il consistera en la préparation d’un produit cosmétique au choix répondant à des problématiques actuelles.

•        Formulation et développement
•        Les produits cosmétiques

Cet enseignement constitue une introduction à la formulation de produits cosmétiques. Il vise à familiariser les étudiants avec les principales stratégies employées dans l’industrie cosmétique pour concevoir et développer des produits destinés à un usage quotidien.

L’UE est organisée autour de cours magistraux, de travaux pratiques en laboratoire et d’une présentation de projet permettant de mettre en application les notions abordées.

Aubry J.-M., Sebag H., Formulation cosmétique — Matières premières, concepts et procédés innovants, EDP Sciences, 2006. vecteurs d’actifs et produits finis. Couteau C., Coiffard L., La formulation cosmétique à l’usage des professionnels et des amateurs, Moniteur des pharmacies, 2014. Pensé-Lhéritier A. (coord.), Conception des produits cosmétiques : La formulation (3e éd.), Cosmetic Valley, 2022.

Chimie physique et analytique niveau L2, Chimie des solutions niveau L2, Chimie Organique niveau L2.

Contenu théorique :
    1. Introduction à la photophysique et à la photochimie
        1.1.  Introduction 
            1.1.1. Bref historique
            1.1.2. Nature de la lumière 
            1.1.3. Interaction lumière-matière
        1.2.  Etats excités et spectroscopies
            1.2.1. Rappels sur les états d’énergie : diagramme de Perrin-Jablonski
            1.2.2. Spectroscopie électronique
            1.2.3. Spectroscopie des molécules organiques (alcènes, diazo, carbonyles, aromatiques)
            1.2.4. Processus de relaxation et propriétés des états excités

    2. Quelques grandes réactions photochimiques et leurs applications
        2.1.  Les réactions de photoisomérisation 
            2.1.1. Introduction
            2.1.2. Cas des alcènes 
            2.1.3. Cas des composés azoïques
            2.1.4. Applications
        2.2.  La photochimie des carbonyles excités
            2.2.1. Introduction
            2.2.2. Réactions de photocycloadditions [2+2]
            2.2.3. Réactions de Norrish 
            2.2.4. Applications

Contenu pratique : 
    1. Travail expérimental et bibliographique en équipe sur une des problématiques de photophysique/photochimique proposées
    2. Visite de la plateforme photochimie organique de l’ICMMO
    3. Présentation de l’appareillage spécifique à la photophysique/photochimie

S’initier aux processus induits par la lumière : Principes fondamentaux de la photochimie et de la photophysique. Comprendre et détailler les principales réactions de composés chimiques dans un état excité. Etudier et mettre en œuvre expérimentalement des phénomènes ou réactions induits par la lumière et savoir en présenter les conclusions et perspectives.

Organisation :
Enseignements avec cours magistraux, travaux dirigés, travaux pratiques et visite d’un laboratoire de Recherche.
Mise à disposition d’éléments pédagogiques numériques (documents de cours et TD, annales et corrigés, tests en ligne).
Contrôle des connaissances :
Interrogations en TD, examen écrit, présentation orale et compte rendu/rapport écrit.

P- Photophysique et Photochimie : des fondements aux applications ; J. Delaire et al., EDP Sciences (2016)
 - Modern Molecular Photochemistry; N. J. Turro, University Science Books (1991)
 - Invitation à la fluorescence moléculaire ; B. Valeur, de Boeck Université (2004)
 - Méthodes et techniques de la chimie organique, D. Astruc (Chapitre 7) Presses Universitaires de Grenoble (1999)
 - Principles and Applications of Photochemistry; B. Wardle, Wiley (2009)

Bases de cristallographie et structure des solides
Bases d'atomistiques
Bases d'électrochimie et oxydo-réduction

Cours/TD :
1. Contexte 1.1 Les différentes sources et formes d’énergie 1.2 Changement climatique et transition énergétique
2. « Solaire » 2.1 L’effet photoélectrique : fonctionnement d’une cellule solaire 2.2 Technologies actuelles et futures : matériaux, méthodes de fabrication 2.3 Recyclage
3.  « Conversion et stockage électrochimique de l’énergie » 3.1 L’hydrogène comme vecteur énergétique (modes de production et de stockage) 3.2 Stockage et conversion électrochimique (batteries, supercondensateurs…)
TP :
projets expérimentaux sur plateforme (hydogène, batteries)

1. Comprendre la place des matériaux dans la transition énergétique 
2. Comprendre les principes de fonctionnement d’un panneau solaire et les enjeux en termes de fabrication et de matériaux 
3. Connaître les technologies clés de la filière hydrogène 
4. Connaître le principe de fonctionnement et les matériaux utilisés dans les batteries

L'enseignement combinera des cours/TD "classiques", des projets expérimentaux sur plateforme, et du travail personnel sous forme de projet de recherche bibliographique.

Documents pédagogiques disponibles sur e-campus et bibliographie donnée en séance.

L’unité d’enseignement requiert des notions élémentaires de spectroscopie (absorption UV-Vis, fluorescence) et d’électrochimie (loi de Nernst). Aucun prérequis n’est demandé en biologie. Les étudiants doivent être familiers avec la démarche expérimentale et l’analyse de données physico-chimiques.

Introduction des notions de biologie nécessaires (protéines, ADN, éléments de biologie cellulaire)
Absorption UV-Vis : Qu’elles sont les informations qu’on peut obtenir sur une macromolécule avec son spectre d’absorption.
Fluorescence :

Applications de la fluorescence en biologie de la macromolécule (structure, fonction) à la cellule (imagerie de fluorescence, dynamique et interaction des protéines ; physicochimie du milieu cellulaire) Capteurs, dispositifs analytiques

Electrochimie :

Compréhension des mécanismes de transfert d’électrons dans les molécules biologiques (introduction à la voltamétrie cyclique) Capteurs électrochimiques Application en biologie cellulaire (microélectrodes, microscopie électrochimique)

Travaux pratiques

Manip1 : Fonctionnement d’un capteur à glucose pour le suivi du diabète Manip2 : Suivi de la production de radicaux libres et activité superoxyde dismutase Manip3&4 : Etude expérimentale et théorique de chromophores de protéines fluorescentes de la famille des GFP

Manip5 : Observation des interactions protéines-protéines en cellule vivante par FRET.

Rendre compte d’expériences menées. Elaborer des hypothèses.

L’enseignement se déroule au semestre 6. Il comprend 9 h de cours/TD intégrés et 13,5 h de travaux pratiques en présentiel. L’effectif est limité à 15 étudiants. L’enseignement combine cours magistraux, TD intégrés et expérimentations en laboratoire. Les étudiants sont impliqués dans l’analyse et la discussion de leurs résultats. L’évaluation repose à parts égales sur un examen final et les comptes rendus de TP (50/50). Les séances privilégient l’interactivité et l’approche par problèmes concrets. Les supports de cours et les articles récents sur la biophysique expérimentale sont fournis par les enseignants.

Miomandre F., Sadki S., Audebert P., Méallet-Renault R. Électrochimie – Des concepts aux applications, Éd. Dunod. et Ouvrages de biochimie structurale et de spectroscopie appliquée aux biomolécules.

Bases de la chimie et de la physico-chimie

Volet diagnostic : de la molécule au dispositif et imagerie de métabolites.
L’objectif de cette partie de l’UE est de partir des connaissances des cinq précédents semestres de licence en chimie pour les repositionner dans les domaines de la chimie supramoléculaire, des moteurs moléculaires et de la chimie de surface ainsi que de la chimie pour les technologies salle blanche. En partant de la molécule qui régit l’affinité avec un analyte, les grandes classes de capteurs miniaturisés seront décrites pour aboutir aux dispositifs fonctionnels. Ceci sera illustré par l’exemple des puces dédiées diagnostic des troubles du mouvement par l’analyse du liquide céphalo rachidien.
Une initiation aux surfaces fonctionnalisées par des objets nanoluminescents sera proposée sous forme d’analyse d’articles. La question du diagnostic avec de telles surfaces sera investiguée (nanoparticules sensibles vs molécules sensibles). Les nano-objets présentés pourront faire écho à ceux présentés en seconde partie du module (voir plus bas).
Enfin un séminaire sur l’imagerie de métabolites et une visite seront proposés. Un Séminaire sur la microfluidique par un intervenant EUGLOH (Lund) sera donné.

Volet thérapie : molécules et nanoagents contre le cancer
L’objectif est de mettre à profit les connaissances des étudiants acquises les semestres précédents pour comprendre l’élaboration de molécules ou nanoagents pour la thérapie du cancer. Cette partie portera sur des aspects variés et se fera sous forme de séminaires donnés par des chimistes, physico-chimistes ou biochimistes. Ils porteront notamment sur :

Les « drugs delivery » (la délivrance de médicaments) pour le cancer ; L’élaboration de nanoparticules radioamplificatrices ; La radio immunothérapie

Une visite de start up sera proposée.

L’objectif principal de cette UE serait d’illustrer la relation étroite qui existe entre la chimie, la physico-chimie et la santé.

Enseignement avec cours magistraux. Des formats non conventionnels seront aussi présents : projets, séminaires, 2 visites.

Documents pédagogiques disponibles sur e-campus.

Enseignement de chimie Inorganique du S5

Spectroscopie d’absorption électronique (règles de sélection, diagramme d’Orgel, diagramme Tanabé – Sugano):

                Approche champ faible                Approche champ fort

-Magnétisme de systèmes dilués (susceptibilité magnétique, moment magnétique, loi de Curie)
Travaux Pratiques :
-Synthèse et étude par spectroscopie électronique de complexes de NiII dans différentes géométries (Octaèdrique, Tétraèdrique et plan carré). Utilisation des diagrammes Tanabé-Sugano
-Synthèse et propriétés d’un complexe de FeII à transition de spin thermoinduite

Corrélation structure électronique / propriétés des complexes de métaux de transition de géométrie Oh et Td :
-savoir utiliser les diagrammes Tanabé-Sugano pour analyser les spectres expérimentaux d’absorption électronique quel que soit le complexe
-savoir prévoir et expliquer le comportement magnétique de complexes dilués (loi de Curie) quel que soit le complexe

F.A. Cotton, G. Wilkinson, C.A. Murillo, M. Bochmann, Advanced Inorganic Chemistry ,Wiley, New-York, 1999 et éditions précédentes
Kahn O. : Structure électronique des éléments de transition . Ions et molécules complexes, PUF.

Notions sur les orbitales atomiques et moléculaires, notions de calcul matriciel, notions d’algèbre

I - Opérations et éléments de symétrie. Groupes ponctuels de symétrie.

 II - Représentations irréductibles et réductibles 

III - Applications : orbitales moléculaires de symétrie, méthode des fragments  

IV - Produit direct. Applications : règles de sélection en spectroscopie UV Visible et en spectroscopie vibrationnelle (approximation harmonique)

Déterminer le groupe de symétrie d'une molécule en analysant les éléments de symétrie Construire des représentations associées à des ensembles d’OA et à des vecteurs déplacements en coordonnées cartésiennes Déterminer les représentations irréductibles associées à des représentations réductibles Reconnaître la symétrie d’ OM Utiliser les règles de sélection pour prévoir l’activité de modes normaux en spectroscopie IR et Raman et des transitions électroniques en spectroscopie UV Visible

Cours, TD en présentiel. Tests sur eCampus pour évaluer la compréhension du cours. controle continu sous forme de QROC sur eCampus.

A. La théorie des groupes en chimie », F Volatron et P Chaquin, deBoeck. B. Molecular symmetry and group theory », R. Carter, Wiley. C. Cotton, Chemical Applications of Group Theory D. Introduction à la chimie quantique », Chapitre 10 , C. Leforestier, Dunod.

- Lois de la Mécanique, Principe fondamental de la dynamique, notamment en coordonnées polaires.
- Mathématiques : maitrise des vecteurs, et équations différentielles du premier et second ordre à coefficients constants. Fonctions de plusieurs variables et équations aux dérivées partielles. Opérateurs différentiels et théorème de Green-Ostrogradski.

Introduction

Définition et propriétés d’un fluide. Notions sur les mouvements thermiques: flux de particules, interactions et libre parcours moyen. Grandeurs physiques décrivant l’état d’un fluide, échelle hydrodynamique, particule fluide. Forces au sein d’un fluide: notions de pression et de viscosité. %%%Nombre de Reynolds, cas du fluide parfait.

Fluides en équilibre

Loi de l’hydrostatique, principe de Pascal. Théorème d’Archimède. Phénomène de convection.

Cinématique des fluides

Description d’un écoulement, trajectoire, ligne et tube de courant, notion de débit. Points de vue d’Euler et de Lagrange – Dérivée particulaire, advection. Conservation de la masse (équation de continuité) et du débit, cas incompressible. Etude locale du champ de vitesse: déformation et rotation, relation avec la divergence et le rotationnel de la vitesse. Cas incompressible: écoulement isovolume.

Dynamique des fluides parfaits

Conservation de la quantité de mouvement: équation d’Euler. Théorème de Bernoulli (sous forme locale et intégrale) et généralisations. Point de vue énergétique. Point d’arrêt et prise de pression.  Applications: écoulement de Torricelli, effet Venturi, tube de Pitot, tourbillon, effet Magnus… Notion de perte de charge singulière, théorème de transport de Reynolds - notion de volume de contrôle.

Dynamique des fluides réels

Mise en évidence expérimentale de la viscosité, écoulement de Couette. Les différents types de fluides visqueux.  Loi de Poiseuille et applications. Perte de charge régulière. L’équation de Navier-Stokes.

Cette UE comprend 2 séances de travaux pratiques sur 2 des 6 thèmes suivants : impulsion d’un jet / déversoirs, milieux poreux /ondes acoustiques, mesures de débit, sillage d’un cylindre, venturi/profil de vitesse, pertes de charges.

Généralités

Du microscopique au macroscopique, degrés de liberté, systèmes classiques et quantiques, ordres de grandeurs, théorème ergodique, probabilités et méthodes statistiques.

Systèmes à l’équilibre

Entropie statistique, ensembles d’équilibre (micro-canonique, canonique et grand-canonique), fonctions de partition et grand potentiel, statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein, fluctuations, applications à la physique des fluides et des solides, à l’électronique, aux transitions de phases, au rayonnement.

• Physique statistique : introduction , C. Ngô et H. Ngô, Dunod, 2008 (3eme éd.).
• Physique statistique , B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer, B. Roulet, Hermann, 1996.
• Eléments de physique statistique , S. Vauclair, Dunod, 1993.
• Thermodynamique et physique statistique , B. Jancovici, Nathan Université, 1996.
• Introduction to modern statistical physics , D. Chandler, Oxford University Press, 1987.