Sciences des polymères – Matière Molle 2016-2017 - sujets de mémoires et de stages

SERVICE DE SCIENCES DES POLYMERES

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

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Dynamique des polymères et de la matière molle

Simone Napolitano snapolit@ulb.ac.be

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

Irreversible Chain Adsorption

Adsorption des chaînes de polymère en couches minces

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

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

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

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

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Interfaces et Structures Molles

Denis Terwagne Denis.Terwagne@ulb.ac.be

http://trioslab.ulb.ac.be/

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Mouillage et plantes Exploration de mécanismes physiques permettant la super hydrophilicité chez les plantes et reproduction de ces mécanismes en laboratoire à partir d’analogues synthétiques. Informations : Denis Terwagne, Pierre Colinet Étudiants concernés : Physiciens, Ingénieurs Physiciens, Ingénieurs Electro-mécaniciens,

Bioingénieurs Collaboration : Faculté des Sciences (Science des Polymères – Matière Molle) et

Ecole Polytechnique (TIPs - Transferts Interfaces et Procédés) Mots clés : Expérience, capillarité, géométrie et biomimétisme Motivation Les mécanismes physiques utilisés par la nature sont extrêmement riches et variés. Les plantes ont élaboré et développé des stratégies d’une ingéniosité particulièrement fascinante pour effectuer des fonctions telles que se reproduire, se nourrir et se défendre.

Pour se défendre, les feuilles du lotus possèdent, par exemple, une surface telle que les gouttes d’eau ne peuvent pas la mouiller [1]. Les gouttes roulent sur la surface des feuilles et les nettoient de tous pathogènes et impuretés. Ces surfaces, dites super hydrophobes, sont caractérisées par une rugosité importante et un revêtement repoussant l’eau. Ces vingt dernières années, des recherches poussées et fouillées ont permis de déceler les mécanismes physiques

responsables de la super-hydrophobicité menant à de nombreuses applications technologiques de notre quotidien : revêtements autonettoyants ou anti-graffiti, textiles insalissables, … Cependant, la nature ne fabrique pas que des surfaces hydrophobes. En effet, certaines plantes au contraire sont super-hydrophiles, c’est-à-dire que l’eau mouille complètement les feuilles et s’étale très facilement [2]. Les fonctions biologiques et les mécanismes physiques responsables de la super hydrophilicité chez les plantes sont encore mal connus et peu évidents. Objectif du mémoire L’objectif de ce mémoire est d’explorer les stratégies employées par la nature pour mettre au point la super hydrophilicité et de reproduire en laboratoire ces stratégies et mécanismes à partir de matériaux synthétiques. Nous utiliserons les derniers outils de fabrication digitale (imprimantes 3D, découpeuse laser, …) et d’acquisition et d’analyse d’images (caméra rapide, sanner 3D, microscope 3D, …) pour explorer ces mécanismes. Description et nature du travail Il s’agit d’un travail de nature essentiellement expérimentale qui comporte différentes aspects dont:

• bibliographie • montage expérimental pour l’analyse des échantillons; • conception et fabrication d’échantillons à l’aide de techniques de fabrication digitale; • caractérisation et analyse des échantillons par techniques d’imagerie avancées.

Contact Prof. Denis Terwagne Denis.Terwagne@ulb.ac.be Prof. Pierre Colinet pcolinet@ulb.ac.be

Références [1] W. Barthlott and C. Neinhuis, Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces, Planta 202 1 (1997). [2] K. Koch and W. Barthlott, Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials, Philos. T. Roy. Soc. a. 367, 1487 (2009).

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Robotique molle et intelligence artificielle (stage ou mémoire) Conception et fabrication d’un robot « mou » destiné à une étude expérimentale du contrôle de robot par « reservoir computing ». Informations : Denis Terwagne, Serge Massar, Marc Haelterman Étudiants concernés : Physiciens, Ingénieurs Physiciens, Ingénieurs Electro-mécaniciens, Collaboration : Ecole Polytechnique (OPERA-Photonique) et

Faculté des Sciences (Laboratoire d’Information Quantique et Science des Polymères – Matière Molle)

Mots clés : Robotique, Intelligence artificielle Motivation Un développement très récent en robotique est la conception de robots qui, à l’image de beaucoup d’êtres vivants, sont constitués de matériaux mous. Par rapport aux robots traditionnels « rigides », ces robots ont l’avantage d’être bon marchés (les matières plastiques sont en effet beaucoup moins coûteuses que les métaux), plus robustes (un robot mou est intrinsèquement résistant aux chocs) et capables de tâches nouvelles grâce à une interaction plus « subtile » avec leur environnement (par exemple, pour la manipulation d’objets fragiles). Puisqu’ils sont « mous » ces robots sont caractérisés par une infinité de degrés de liberté et leur contrôle doit dès-lors être abordé de façon toute différente de ce qui est proposé pour les robots rigides. Le travail de mémoire proposé ici consiste en la conception et la fabrication d’un robot « mou ».

Objectif du mémoire

Le travail aura une composante expérimentale dominante. Il s’agira dans un premier temps de se familiariser avec les techniques de fabrication : création de moules à l’aide d’imprimantes 3D, maîtrise des polymères (identification des bonnes pratiques de polymérisation et de collage), introduction des actuateurs et capteurs, etc... Les actuateurs seront basés sur la déformation pneumatique de certaines sections du robot. Pour cela des pompes à air devront être contrôlées par ordinateur par l’intermédiaire de microcontrôleurs. Les déformations du robot ont pour but de lui permettre de se déplacer grâce à des démarches adaptées à son environnement. Les démarches apprises par le

reservoir computer seront testées sur un banc d’essai comprenant un tapis roulant automatisé et une caméra.

Nature du travail Il s’agit d’un travail de nature essentiellement expérimentale. Mais il est également possible d’inclure dans le projet des aspects de contrôle du robot (voir sujet de mémoire concernant le contrôle des robots mou).

Contact Prof. Marc HAELTERMAN Prof. Serge MASSAR Prof. Denis Terwagne

mhaelter@ulb.ac.be smassar@ulb.ac.be Denis.Terwagne@ulb.ac.be

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Robotique molle et intelligence artificielle (stage ou mémoire) Etude numérique de l’application du « reservoir computing » et des réseaux de neurones au contrôle d’un robot « mou ». Informations : Denis Terwagne, Serge Massar, Marc Haelterman Étudiants concernés : Physiciens, Ingénieurs Physiciens, Ingénieurs Electro-mécaniciens, Collaboration : Ecole Polytechnique (OPERA-Photonique) et

Faculté des Sciences (Laboratoire d’Information Quantique et Science des Polymères – Matière Molle)

Mots clés : Robotique, Intelligence artificielle Motivation Un développement très récent en robotique est la conception de robots qui, à l’image de beaucoup d’êtres vivants, sont constitués de matériaux mous. Par rapport aux robots traditionnels « rigides », ces robots ont l’avantage d’être bon marché (les matières plastiques sont en effet beaucoup moins coûteuses que les métaux), plus robustes (un robot mou est intrinsèquement résistant aux chocs) et capables de tâches nouvelles grâce à une interaction plus « subtile » avec leur environnement (par exemple, pour la manipulation d’objets fragiles). Puisqu’ils sont « mous » ces robots sont caractérisés par une infinité de degrés de liberté et leur contrôle doit dès-lors être abordé de façon toute différente de ce qui est proposé pour les robots rigides. C’est la raison pour laquelle, dans le cadre de nos recherches en intelligence artificielle expérimentale (implémentation physique d’ordinateurs photoniques analogiques de type « reservoir »), nous sommes intéressés à l’application du concept de « reservoir computing » au contrôle de robots. Le travail de mémoire proposé ici consiste en l’étude numérique du contrôle d’un robot par « reservoir computing ». L’idée poursuivie est de faire apprendre une tâche à un robot sur base d’une consigne élémentaire appelée « récompense » ou « reward ». Les résultats obtenus dans le cadre du mémoire permettrons de mieux comprendre comment des réseaux neuronaux, tels ceux présents dans le cerveau, peuvent controler des robots. Les résultats obtenus seront utilisés pour controler les robots mous que nous construisons par ailleurs. Objectif du mémoire Le travail sera exclusivement numérique et consistera dans un premier temps à réaliser un modèle numérique de robot simple pouvant effectuer des tâches élémentaires telles que se déplacer dans un espace à 2 dimensions en présence d’obstacles. Une fois le modèle réalisé, il s’agira de l’articuler avec un ou plusieurs reservoir computers pour lui faire apprendre des tâches de façon autonome. Le robot ainsi que les tâches réalisées pourront être complexifiés au fur et à mesure des progrès de l’étude. Nature du travail Il s’agit d’un travail de nature essentiellement numérique au cours duquel les aspects conceptuels liés aux notions d’intelligence artificielle et de reservoir computing en particulier joueront un rôle essentiel dans la démarche poursuivie. De même, la modélisation du robot fera appel à des notions élémentaires de mécanique. Contact Prof. Marc HAELTERMAN Prof. Serge MASSAR Prof. Denis Terwagne

mhaelter@ulb.ac.be smassar@ulb.ac.be Denis.Terwagne@ulb.ac.be

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

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