LDD3 Physique, Chimie

INTRODUCTION

• Description d’un fluide à l’échelle microscopique (par rapport à un solide et un gaz, mouvement des atomes, densité, interactions entre particules)
• Définition de l’échelle pour décrire un fluide: notion de particule fluide
• Propriétés macroscopiques d’un fluide: la viscosité, la tension de surface
• Les techniques expérimentales pour caractériser un fluide et mesurer sa vitesse: rhéologie et mesures de vitesses d’écoulements

FLUIDES EN EQUILIBRE

• Les forces dans un fluide au repos : forces de pression au sein d’un fluide
• Loi de l’hydrostatique
• Théorème d’Archimède et principe de Pascal. Applications.

CINEMATIQUE DES FLUIDES  

• Description mathématique d’un écoulement: points de vue d’Euler et de Lagrange.
• Les outils mathématiques: volume de contrôle, dérivée particulaire.
• Lignes et surfaces particulières dans un écoulement: trajectoires, ligne et tube de courant : définitions, exemples et visualisations.
• Conservation de la masse
• Déformations dans un écoulement: le tenseur des déformations

DYNAMIQUE DES FLUIDES

• Forces de surface dans un fluide en mouvement: le tenseur des contraintes de viscosité pour un fluide newtonien.
• Ecoulements simples: Poiseuille, Couette
• L’équation de Navier-Stokes, adimensionnement et nombres sans dimension, nombre de Reynolds.
• Equation de la vorticité
• Conditions aux limites: interface solide/fluide et interface fluide/fluide

LOIS DE CONSERVATIONS  

• Conservation de la quantité de mouvement
• Conservation de l’énergie
• Cas particuliers à viscosité nulle et écoulement stationnaire: Bernoulli

ECOULEMENTS A PETITS NOMBRES DE REYNOLDS

• L’équation de Stokes et ses propriétés
• Lubrification
• Ecoulement autour d’une sphère

ECOULEMENTS DE FLUIDES PARFAITS

• L’équation d’Euler
• Ecoulements potentiels simples autour d’obstacles

COMPLEMENTS

• Couche limite
• Transport convectif
• Quelques instabilités hydrodynamiques: une introduction

Cette UE comprend 2 travaux pratiques sur 2 des 3 thèmes suivants : impulsion d'un jet, mesure de débit et sillage d'un cylindre.

Programme

• 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 potentiels, 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.

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

I - Opérations et éléments de symétrie. Groupes ponctuels de symétrie. II - Représentations irréductibles et réductibles III - Applications : orbitales moléculaires de symétrie, et modes normaux de vibration IV - Produit direct. Applications : règles de sélection en spectroscopie UV Visible et en spectroscopie vibrationnelle (approximation harmonique

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

Semestre 5

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

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

-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

Enseignement de chimie Inorganique du S5

Semestre 6

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.

Enseignement portant sur le vocabulaire de l'analyse sensorielle, les travaux de la vigne et de la vignification, l'histoire des vins et des régions, l'art de la dégustation et des associations.

OAV1 : S’initier aux processus induits par la lumière : Principes fondamentaux de la photochimie et de la photophysique.

OVA2 : Comprendre et détailler les principales réactions de composés chimiques dans un état excité.

OAV3 : Etudier et mettre en œuvre expérimentalement des phénomènes ou réactions induits par la lumière et savoir en présenter les conclusions et perspectives.

Contenu théorique :

• Introduction à la photophysique et à la photochimie

  Introduction

  Bref historique Nature de la lumière Interaction lumière-matière

  Etats excités et spectroscopies

  Rappels sur les états d’énergie : diagramme de Perrin-Jablonski Spectroscopie électronique Spectroscopie des molécules organiques (alcènes, diazo, carbonyles, aromatiques) Processus de relaxation et propriétés des états excités

• Quelques grandes réactions photochimiques et leurs applications

  Les réactions de photoisomérisation

  Introduction Cas des alcènes Cas des composés azoïques Applications

  La photochimie des carbonyles excités

  Introduction Réactions de photocycloadditions [2+2] Réactions de Norrish Applications

Contenu pratique :

• Travail expérimental et bibliographique en équipe sur une des problématiques de photophysique/photochimique proposées
• Visite de la plateforme photochimie organique de l’ICMMO

Présentation de l’appareillage spécifique à la photophysique/photochimie

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

Semestre 6

- 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)

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). Travaux Pratiques en équipes => restitution sous forme d’un oral Visite d’un laboratoire de Recherche => restitution par rapport écrit

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

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.

Chimie générale S1 à S5

Semestre 6

Enseignement avec cours magistraux, travaux dirigés/pratiques d’analyse. Des formats non conventionnels seront aussi présents : séminaires, visites. Documents pédagogiques disponibles sur e-campus

• Décrire la structure des protéines à différents niveaux (structures primaires à tertiaires)
• Relier des propriétés spectroscopiques ou électrochimiques d’une biomolécule à sa structure tridimensionnelle

Utiliser des méthodes physico-chimiques différentes pour comprendre le fonctionnement des biomolécules

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.

Connaissances élémentaires en spectroscopie (absorption UV-vis, fluorescence) et en éléctrochimie (loi de Nernst). Aucun prérequis en biologie.

Semestre 6

Électrochimie - Des concepts aux applications - de Fabien Miomandre, Saïd Sadki, Pierre Audebert, Rachel Méallet-Renault Ed. Dunod Invitation à la Fluorescence Moléculaire de Bernard Valeur Ed. de Boeck

Cours/TD intégrés et TP en présentiel

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 5. Connaître le principe de fonctionnement et les matériaux utilisés dans les réacteurs nucléaires (fission et fusion)

Cours/TD 1. Contexte 1.1 Les différentes sources et formes d’énergie 1.2 Changement climatique et transition énergétique

2. « Nucléaire » 2.1 Les différentes formes d’énergie nucléaire : principes et utilisation 2.2 Les matériaux actuels et d’avenir pour les réacteurs nucléaires 2.3 Les déchets nucléaires et leur gestion …

3. « Solaire » 3.1 L’effet photoélectrique : fonctionnement d’une cellule solaire 3.2 Technologies actuelles et futures : matériaux, méthodes de fabrication 3.3 Recyclage

4. « Conversion et stockage électrochimique de l’énergie » 4.1 L’hydrogène comme vecteur énergétique (modes de production et de stockage) 4.2 Stockage et conversion électrochimique (batteries, supercondensateurs…)

Cristallographie et structure des solides Oxydo-réduction et électrochimie Atomistique

Semestre 6

• Electrochemical Energy Storage, J. M. Tarascon, P. Simon, Wiley, 2015
• De l’oxydoréduction à l’électrochimie, Y. Verchier, F. Lemaître, Ellipses, 2006

Matériaux du nucléaire, Académie des Sciences, RST numéro 5, juillet 2020, Editions TEC & DOC

Enseignement de type classique avec cours magistraux, travaux dirigés, travaux pratiques Documents pédagogiques disponibles sur e-campus. Exercices complémentaires proposés sous diverses formes (polycopiés, WIMS et/ou e-campus, étude d’articles scientifiques).

Cet enseignement est une introduction à la formulation de produits cosmétiques. Il a pour objectif de sensibiliser les étudiants aux différentes stratégies utilisées dans l’industrie cosmétique pour l’élaboration de différents produits à usage quotidien.

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 premières
• Formulation et développement
• Les produits cosmétiques

Quatre séances de Travaux Pratiques pour illustrer des notions abordées en cours sont proposées :

• Préparation d’un baume à lèvres anti-gerçures
• 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.

Semestre 6

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.

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

Semestre 6

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.

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.

• 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.

L’objet de cette UE est d’aller plus loin que le cours de mécanique quantique du premier semestre. Nous pourrons traiter la théorie des perturbations : voir comment les systèmes quantiques peuvent changer d’état, comment les spins interagissent entre eux et avec les autres moments cinétiques et enfin aborder la théorie des perturbations dépendante du temps qui permet de comprendre l’interaction lumière/matière. Dans la deuxième partie du cours, nous reviendrons sur la notion de photon, comment elle est apparue historiquement, comment elle est liée à la théorie du corps noir et quelles en sont les applications à la vie quotidienne. Nous terminerons par une introduction à la physique des lasers: de l’aspect purement atomique aux aspects les plus concrets pour les applications industrielles et scientifiques.

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

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 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.

Introduction – Premier aperçu des structures dans les trois principaux états de la matière : solide, liquide, gaz. – A l’équilibre thermodynamique : diagrammes de phases. – En dehors de l’équilibre thermodynamique : exemples de structures dans des états métastables et applications.

Cohésion de la matière – Les différents types de liaisons – Structures type : le sel de cuisine, le silicium, le diamant, le graphite … – Énergie potentielle de cohésion, comportement élastique, rigidité.

Symétries ponctuelles – Définitions : symétrie d’orientation, opération de symétrie, élément de symétrie. – Notions de groupe de symétrie. – Principe de Curie, exemples d’application.

Les cristaux – Le cristal périodique : un motif répété aux noeuds d’un réseau. Notion de famille de plans réticulaires. – Construction des groupes spatiaux de symétrie (groupes de symétrie des cristaux). – Réseau réciproque.

Etude des structures atomiques par diffraction des rayons X – Diffusion par une assemblée d’atomes quelconque, facteur de diffusion atomique. – Diffraction par les cristaux : loi de Bragg, facteur de structure. – Mise en œuvre expérimentale : les différents types de diffractomètres, méthodes d’affinement des structures cristallines.

Défauts dans les cristaux : influence sur les propriétés physiques – Défauts ponctuels : lacune, interstitiel, impureté substitutionnelle. Exemples de leur influence sur les propriétés physiques : effet laser, couleur des cristaux, … – Défauts linéaires : exemple des dislocations et de leur rôle sur les propriétés mécaniques des cristaux. Cette UE comprend 2 TPs : diffraction sur poudre et diffraction par un solide cristallin.

– 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

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.

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)

Cette option a pour objectif de faire découvrir aux étudiants la production d’énergie nucléaire sous l’angle des matériaux qui lui sont dédiés et des processus physiques intervenant dans les réacteurs. Elle se compose de deux parties indépendantes, bien que connexes, et se déroulant en parallèle : l’une est consacrée à la « physique nucléaire et radioactivité », l’autre au « comportement des matériaux sous irradiation ».

Partie I : Comportement des matériaux sous irradiation

• Matériaux pour l’énergie nucléaire : définition ; classes de matériaux en fonction des applications (combustible, réacteur, entreposage ou stockage) ; spécificité des matériaux nucléaires : environnements radiatifs ; classification de sources d’irradiation en termes d’endommagement des solides (particules chargées : ions, électrons, positons, neutrons, photons). Simulation expérimentale des effets de l’irradiation par faisceaux d’ions accélérés.
• Physique de l’irradiation à l’échelle atomique : mécanismes d’interactions ; processus balistiques et électroniques ; mécanismes de création de défauts ; calcul de nombre de dpa (déplacements par atome); modélisation de l’endommagement par excitation électronique ; code de simulation numérique SRIM.
• Comportement sous irradiation de quelques matériaux pour le nucléaire : combustibles et matrices de transmutation (matériaux céramiques) ; aciers de cuve et gaine de zircalloy ; matrices d’entreposage et de stockage.
• TP : Utilisation du code de simulation SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) ; application à l’endommagement d’un combustible nucléaires (fragments de fission de l’uranium, désintégration alpha des actinides).

Partie II : Physique nucléaire & radioactivité

• Introduction à la physique nucléaire : propriété des noyaux (densité, énergie de masse, énergie de liaison, énergie d’appariement) ; modèles nucléaires (goutte liquide, gaz de Fermi) ; la carte des noyaux et vallée de stabilité.
• Les décroissances radioactives : étude des différents mécanismes de désintégration des noyaux (radioactivité alpha et beta) et lois associées ; désexcitation gamma; schémas de décroissance ; les familles radioactives naturelles (uranium et thorium) et les filiations radioactives associées ; mise à l’équilibre d’une chaîne radioactive (équilibre séculaire et activité du minerai d’uranium).
• Les réactions nucléaires appliquées aux réacteurs de fission : technologie des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), mécanisme de fission, réactions induites par neutron et sections efficaces associées, noyaux fissiles et non fissiles, principe de la réaction en chaîne et criticité.
• Introduction à l’effet de la radioactivité sur le corps humain : radioactivité naturelle et artificielle, grandeurs et unités pour caractériser l’effet des rayonnements ionisant, ordres de grandeur.

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.