M2 (MME) Matière, Molécules, et leurs Environnements

Introduction

Le parcours Matière, Molécules et leur Environnement du Master Physique Fondamentale et Applications a pour objectif de former des physiciens en capacité d'affronter les grandes questions scientifiques du XXIᵉ siècle, de problématiques concrètes et appliquées telles que la conception de nouveaux matériaux pour l'industrie de demain ; à des questions fondamentales comme le comportement de la matière au sein des planètes et atmosphères, des méthodes de calcul à l'échelle atomique ou l'utilisation des grands instruments de recherche internationale.

La formation se repose sur les compétences issues des laboratoires UMET (Unité Matériaux et Transformations), PhLAM (Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules), IEMN (Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie) et LOA (Laboratoire d'Optique Atmosphérique). 

Elle s'adresse à deux profils d'étudiants :

  • des étudiants en recherche de solutions, qui seront formés aux dernières avancées en sciences de la matière, pour et pourront ainsi développer et exploiter de nouveaux matériaux, les dernières méthodes d'analyses, et les outils analytiques pour affronter les problématiques sociétales aujourd'hui ;
  • des étudiants en recherche de découvertes, qui pourront se reposer sur leur formation pour comprendre le devenir de la matière dans de divers environnements et conditions, du cœur d'une centrale nucléaire, aux polymères, métaux, matériaux pharmaceutiques, et jusqu'à l'intérieur des planètes ou l'atmosphère.

Méthodes et outils analytiques

Dans leur cursus, les étudiants auront l'opportunité de se former

  • à l'usage de méthodes de caractérisation avancées de spectroscopies et diffractions, sur des instruments de haut niveau tels que les microscopes électroniques à balayage et en transmission de la Plateforme de Microscopie Electronique de Lille ;
  • à analyser les données issues d'expériences sur de grands instruments de recherche (le synchrotron SOLEIL par exemple) ;
  • sans oublier le parc d'instruments des laboratoires partenaires.

Ils seront aussi amenés à se former à des méthodes numériques de modélisation de la matière, telles que

  • la dynamique moléculaire ;
  • les calculs par la méthode de Hartree-Fock ;
  • ou en encore de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

International

Le parcours fait partie du Graduate Program Science for a Changing Planet de l'Université de Lille qui vise à former des scientifiques prêts à relever les principaux défis liés aux transitions en cours à travers la planète. Il est aussi associé au programme Erasmus Mundus BIOPHAM qui offre une formation en science des matériaux dédiés à des applications pharmaceutiques et avec lequel il partage environ 50 % de ses enseignements.

Afin d'accueillir des étudiants de tous horizons et préparer les étudiants à travailler dans un contexte européen et international, la langue d'enseignement est l'anglais. Les enseignants sont francophones et en mesure de répondre aux questions et interagir en français, mais les cours sont donnés en anglais.

Les compétences acquises à l’issue du master

Les étudiants du MME deviendront des experts dans l'un des des domaines couverts par les cours de maîtrise avec un bagage commun sur les méthodes de caractérisation de l'échelle micro à l'échelle nanométrique (méthodes de diffraction, spectroscopies optique et de masse, microscopie électronique) et les bases théoriques.

Ils seront préparés à des études doctorales ainsi qu'à des carrières en R&D dans l'industrie ou dans le secteur public.

Ils développeront des compétences élevées en matière de gestion de projet et de communication interculturelles.

Programme

Le Master 2  est organisé en 2 semestres (30 crédits chacun) d'enseignements dispensés en anglais. Environ 50 % des enseignements sont communs avec le master Erasmus Mundus BIOPHAM qui offre une formation en science des matériaux dédiés à des applications pharmaceutiques.

Sur l'option Matière Condensée, les études sont organisées sur le schéma suivant  :

  • Spectroscopie moléculaire : approche théorique (3 ECTS)
  • Méthodes de caractérisation avancées :
    • Spectroscopies Raman, infrarouge, diélectrique, et térahertz (3 ECTS)
    • Diffraction des rayons X et microscopie électronique (3 ECTS)
  • Modélisations à l'échelle atomique (6 ECTS) : dynamique moléculaire, modélisations Hartree-Fock et par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).
  • Thermodynamique et transitions de phase
    • Transitions de phases (3 ECTS)
    • Systèmes binaires (3 ECTS)
  • Propriétés dynamiques de la matière
    • Dynamique des matériaux amorphes (3 ECTS)
    • Dynamique des matériaux cristallins (3 ECTS)
  • Défauts et imperfections dans les solides (6 ECTS)
  • Lanques (français lanque étrangère ou anglais) : 3 ECTS
  • Communication et écriture scientifique : 3 ECTS
  • Stage : 21 ECTS

Pour les étudiants souhaitant poursuivre vers des thématiques liées à l'atmosphère 6 ECTS de la partie Propriétés de la Matière pourront être substitués par des enseignements de Transferts Radiatifs.

Vous trouverez le détail des contenus des enseignements dans le document suivant.

Le Master Physique Appliquée et Fondamentale, spécialité Matière Molécule et leurs Environnements permet le Recrutement dans des laboratoires de recherche publics ou privés (de grands groupes, PME, ETI, start-up, EPIC) dans l'un des nombreux domaines couverts par le parcours. Il est possible d'entrer dans la vie active directement après l'obtention du diplôme ou après des études complémentaires et un doctorat.

Thèses

A l'issu du master, environ 75% des étudiants passés par le master depuis 2019 continuent sur une thèse de doctorat, à Lille ou ailleurs. Les autres continuent vers un emploi direct.

Emplois et secteurs d'activité

En s'intéressant aux étudiants 5 ans ou plus après leur master (afin d'avoir des statistiques non affectées par les doctorats en cours), voici les secteurs d'activé et employeurs identifiés (sur une base de 60 étudiants) :

  • académique ou de grands organismes d'état (24%) dont les employeurs sont le CNRS, les universités de Yale et de Phœnix (États-Unis), les universités de Tours et de Lille ou Grenoble INP en France, l'Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya en Indonésie, les Canadian Nuclear Laboratories, le CEA, l'Onera, ou l'Université Libre de Bruxelles ;
  • industrie (41 %) : Siemens Energy, Framatome, EDF, Décathlon, Altsom, Raclot Industries, AstraZeneca, Imerys, Groupe Institut de Soudure, ITP Interpipe, Blue Capsule Technology, PPG ;
  • conseil (9 %) et numérique (17 %) : Devoteam G Cloud, Sopra HR Software, Sopra Banking Software, Groupe Luminess, Axecom, Calogena, DEF, Assystem, Power Inside Data ;
  • enseignement dans le secondaire : 7 % ;
  • reconversion : 2 %.

Suite à leur thèse de doctorat, un certain nombre d'étudiants travaillent donc dans des activités de R&D dans de grands organismes publics (CEA, Onera, universités, etc) mais aussi privés (EDF, Framatome, Siemens, etc) quand d'autres se dirigent vers des branches de conseil ou de l'industrie numérique.

Fonctions occupées

Quelques exemples des fonctions occupées par des anciens étudiants :

  • R&D Manager, Racot Industries
  • Fire Satety and EcoDesign Engineer, Alstom
  • Ingérnieur produits, Décathlon
  • Maître de conférences, Université de Tours
  • Enseignant, Education Nationale
  • Clinical Trial Associate, Aquilab
  • Computational research scientist, Canadian Nuclear Laboratories
  • Data scientist, Siemens,
  • Senior research scientist, Univ. Yale
  • Cloud infrastructure architect, Devoteam
  • Chargé de recherches, CNRS
  • Head of physics laboratory, Indonesia
  • Ingénieur d'études, Grenoble INP
  • Ingénieur innovation, ITP Interpipe
  • Senior scientist, Astra Zenecca
  • Ingénieur systèmes, Alstom
  • Consulting Engineer, Prodigyus
  • Ingénieur accidents grave, Framatome
  • Ingénieur, EDF
  • Responsable produits, Groupe Institut Soudures
  • Research Engineer, Onera
  • Physics faculty, Phoenix University
  • Ingénieur matériaux et modélisations, Blue capsule technology
  • Ingénieur de recherches, CNRS
  • Technical lead, Nuclear AMRC
  • Industrial Project Manager, Imerys

Vous trouverez, ci-dessous, des exemples de travaux publiés dans la littérature scientifique par des anciens étudiants du master. Les sujets abordés vont de la stabilité de médicaments aux météorites tout en passant pas le comportement de métaux irradiés dans un réacteur nucléaire, la synthèse de nouveaux polymères à base d'amidon, des développements de méthodes expérimentales avancées, des matériaux pour stocker le gaz et résoudre des problématiques énergétiques, ou encore les propriétés mécaniques des matériaux du manteau terrestre.

Prussian Blue Analog nanocrystals are nano-objects at the frontier between molecules and bulk materials and have molecular properties that can be used for different applications such as gas storage materials for energy issues, magnetic properties for information storage, electrochemical and biosensors, catalysis, environmental purification, or biomedical applications. This work is  a study of the electron transport properties at the nanoscale of individual Prussian Blue Analog cubic nanocrystals. The conductivity values measured on individual nanocrystals are up to fifty times higher than those reported on PBA films.

Full publication : H. Therssen, L. Catala, S. Mazérat, T. Mallah, D. Vuillaume, T. Mélin & S. Lenfant. Electronic properties of single Prussian Blue Analog nanocrystals determined by conductive-AFM (2023) Nanoscale 15 19128-19138 [doi: 10.1039/d3nr04542k]

Drug solubility and bioavailability are the most important formulation challenges in pharmaceutical development, probably because a major part of the active pharmaceutical ingredients (APIs) are synthesized in the crystalline state which is often a poorly water-soluble state. Mesoporous silica carriers have recently gained interest in the pharmaceutical domain because of their potential to significantly increase the solubility of poorly water-soluble drugs, by adsorbing the active molecule in an amorphous and relatively stable state. This work shows that co-milling of porous SBA-15 matrix with the drug makes it possible the drug loading without significant damage for the structure of the matrix, enhancing thereby the capacity of loading to almost 40 wt%. It is shown that the physical state of ibuprofen (IBP) confined to silica carriers was amorphous between temperatures Tg and Tm of the bulk form of IBP.

Full publication : B. Malfait, N. Correia, A. Mussi, L. Paccou, Y. Guinet & A. Hédoux. Solid-state loading of organic molecular materials within mesoporous silica matrix: Application to ibuprofen (2019) Microporous and Mesoporous Materials 277 203-207 [doi: 10.1016/j.micromeso.2018.10.022]

Silicate glasses usually refer to amorphous materials in which SiO2 forms a network of corner-sharing tetrahedra. These vitreous phases can further incorporate different cations leading to the well-known categories of borosilicate glasses, aluminosilicate glasses or soda-lime glasses. This paper reports an initial investigation of the rheology of Mg2SiO4 glass through classical molecular dynamics simulations. The goal of the present study is therefore to analyse the mechanical response and rheological behaviour of an olivine glass of forsterite composition Mg2SiO4 and to elucidate how local atomic rearrangements evolve in the deformation process at low temperature.

Full publication : V. Delbecq, P. Carrez & P. Cordier. Rheological properties of Mg2SiO4 glass: A molecular dynamics study (2023) Journal of Non-Crystalline Solids  619 122572 [doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2023.122572]

The plastic deformation of materials comes from the ability of crystal lattices to shear through the movements of dislocations. The interactions of the different mechanisms of deformation are complex and depend on each other. Their understanding is necessary, and a precise observation of these phenomena must be performed in order to take them into account when building theoretical models at the microstructural scale. This study is dedicated to the determination of the best methodology to apply for the characterization of dislocation densities that can be used as input in micro-mechanical modellings.

Full publication : J. Gallet, M. Perez, R. Guillou, C. Ernould, C. Le Bourlot, C. Langlois, B. Beausir, E. Bouzy, T. Chaise & S. Cazottes. Experimental measurement of dislocation density in metallic materials: A quantitative comparison between measurements techniques (XRD, R-ECCI, HR-EBSD, TEM) (2023) Materials Characterization  199 112842 [doi: 10.1016/j.matchar.2023.112842]

Materials systems subjected to external forcing are often observed to self-organize into patterns. Instabilities arise in these systems that can trigger the formation of transient structures, which then evolve into metastable or even stable steady-state patterns. Such patterns have been reported in solids and alloys subjected to irradiation and to severe plastic deformation, resulting in microstructures with emergent pattern length scales and symmetry. Using a simple model for point defect and chemical transport in an irradiated alloy, along with phase field simulations, this work reports on a novel compositional patterning phenomenon at grain boundaries and show that it results from solute advection to grain boundaries coupled with anisotropic solute diffusion at grain boundaries.

Full publication : G. F. Bouobda Moladje, R. S. Averback, P. Bellon & L. Thuinet. Convection-Induced Compositional Patterning at Grain Boundaries in Irradiated Alloys (2023) Physical Review Letters  131 056201 [doi: 10.1103/physrevlett.131.056201]

Sensing with terahertz (THz) radiations (100 GHz−10 THz, λ: 3 mm−30 μm) has demonstrated valuable purposes, e.g., for the uncovering of hidden items or the detection of relevant chemical and biochemical compounds. These works investigated the near-field distribution associated to the photonic mode of terahertz photonic micro-resonators by scattering scanning near-field optical microscopy and propose a scenario based on the combination of the near-field with the far-field pattern of the probe/resonator ensemble that is in excellent agreement with the experimental data and propose an image analysis procedure to recover the near-field of such structures.

Full publication : L. Thomas, T. Hannotte, C. N. Santos, B. Walter, M. Lavancier, S. Eliet, M. Faucher, J.-F. Lampin & R. Peretti. Imaging of THz Photonic Modes by Scattering Scanning Near-Field Optical Microscopy (2022) ACS Applied Materials & Interfaces  14 32608-32617 [doi: 10.1021/acsami.2c01871]

The ability of complex parts production directly from a computer aided design without machining or assembling step has increased the interests in Additive Manufacturing. Laser powder bed fusion, largely employed for additive manufacturing, induces after each batch a large quantity of remaining powder. This study focuses on the possibility to reuse this remaining powder after a large number of production cycles and on the influence of such reusing on the microstructure and mechanical properties.

Full publication : E. Paccou, M. Mokhtari, C. Keller, J. Nguejio, W. Lefebvre, X. Sauvage, S. Boileau, P. Babillot, P. Bernard & E. Bauster. Investigations of powder reusing on microstructure and mechanical properties of Inconel 718 obtained by additive manufacturing (2021) Materials Science and Engineering: A  828 142113 [doi: 10.1016/j.msea.2021.142113]

Considering the exhaustion of petroleum resources and consumer request for sustainable products, starch is one of the most inexpensive and readily available bio-based polymer that has attracted a great deal of interest as potential alternative to conventional plastics for packaging applications. Here, the structure-property relationships of almost fully substituted fatty acid starch esters are investigated as a function of both fatty acid chain length and amylose/amylopectin ratio of the starch. The structural study has revealed a layered type organization in which starch chain planes are separated by fatty chains. The latter are interpenetrated and/or tilted for FASE-C16 whatever the origin of the starch is, and fatty chains partially crystallizes into a structure with hexagonal symmetry.

Full publication : A. Vanmarcke, L. Leroy, G. Stoclet, L. Duchatel-Crépy, J.-M. Lefebvre, N. Joly & V. Gaucher. Influence of fatty chain length and starch composition on structure and properties of fully substituted fatty acid starch esters (2017) Carbohydrate Polymers  164 249-257 [doi: 10.1016/j.carbpol.2017.02.013]

Chemical zoning in olivines is frequently found in unequilibrated chondrites, both in carbonaceous chondrites and ordinary chondrites meteorites. This work uses analytical transmission electron microscopy to study the microstructure of the fayalite-rich matrix grains and interfaces with forsterite fragments within samples of the Allende meteorite. The analyses suggest that the composition profiles were formed by solid-state diffusion during the thermal metamorphism episode. Time–temperature couples associated with the diffusion process during thermal metamorphism are deduced from profile modeling. Considering the uncertainties on the diffusion coefficient value, the work shows that the peak temperature experienced by the Allende meteorite is ranging from 425 to 505 °C.

Full publication : P. Cuvillier, H. Leroux, D. Jacob & P. Hirel. Fe‐Mg interdiffusion profiles in rimmed forsterite grains in the Allende matrix: Time–temperature constraints for the parent body metamorphism (2015) Meteoritics & Planetary Science  50 1529-1545 [doi: 10.1111/maps.12493]

Mantle convection is elusive at human timescale since it operates over hundreds of million years. Seismic anisotropy, which samples the direction-dependence of elastic wave propagation, represents one of the potential observables of past convection since it is an indicator of flow patterns in the deep Earth through the development of crystal preferred orientations. This work aims to determine the efficiency of dislocation glide in the pure MgSiO3 end-member bridgmanite at conditions relevant to the lower mantle by relying on atomic scale calculations to model dislocation glide at high-pressure and temperature. The work shows that in the lower mantle, bridgmanite would always be in the thermally activated regime and that stresses close to 1 GPa are still necessary to move dislocations in bridgmanite. In the uppermost lower mantle, dislocation glide is inhibited and other deformation mechanisms, involving diffusion, are needed.

Full publication : A. Kraych, P. Carrez & P. Cordier. On dislocation glide in MgSiO 3 bridgmanite at high-pressure and high-temperature (2016) Earth Planet. Sci. Lett.  452 60-68 [doi: 10.1016/j.epsl.2016.07.035]

Admission & Bourses

Candidats de deuxième année

  • Pré-requis : première année de physique appliquée et fondamentale, parcours physique fondamentale recommandé. Toutefois, d'autres candidatures de parcours équivalent sont possibles. Bonne maîtrise de l'anglais (score minimum au Toefl paper test 550 ; IELST : 6,5 ; CEF Europass : B2).
  • Les étudiants internationaux doivent effectuer la procédure Campus France le plus tôt possible (campusfrance.org/en) pour la demande de Master et de Visa étudiant.
  • Les étudiants qui n'ont pas d'agence Campus France et les Européens doivent passer par le programme de candidature de l'université e-candidat.
  • Les étudiants titulaires d'un M1 de Physique Fondamentale et Applications à l'université de Lille s'inscrivent directement auprès de leur secrétariat pédagogique.

Dates d'ouverture des différentes sessions de candidatures M2 e-candidat en 2025

Campagne Ouverture Fermeture Résultats
Principale 2 février 6 juin 30 juin
Secondaire 15 août 10 septembre 17 septembre

Bourses et possibilités de financements

Les Graduate Programmes de l'Université de Lille offrent des bourses d'études dans le but d'attirer des étudiants exceptionnellement talentueux vers leurs parcours de master. Ces bourses ne se contentent pas de récompenser l'excellence académique, elles visent également à favoriser une communauté académique diversifiée et dynamique. Elles sont d'un montant de 8500 € pour les étudiants internationaux entrants s'inscrivant pour la première fois dans un établissement d'enseignement supérieur français et de 4500 € pour les étudiants français, étudiants internationaux déjà en France et ceux prolongeant leur bourse pour une deuxième année, dans le cadre d'un master du Graduate Programme.

Pour la rentrée 2025, les calendriers sont les suivants

Appel Candidatures Résultats
#1 1 février - 15 mars 15 avril
#2 1 avril - 15 mai 15 juin