(PMM) Physique des Molécules et Matériaux

Année 1 – Semestre S1       

• IA et méthodes computationnelles avancées en physique – 3 ECTS
  Explorer les liens entre l'IA, l'apprentissage automatique et la physique. Acquérir une expérience pratique des techniques et applications de pointe adaptées au monde de la physique.

• Modélisation à l'échelle atomique I – 3 ECTS
  Découvrez les techniques de simulation telles que la dynamique moléculaire et les simulatione enMonte Carlo pour prédire et concevoir les propriétés de la matière à l'échelle atomique.

• États de la matière et introduction à la science des matériaux – 3 ECTS 
  Découverte des différentes familles de matériaux (métaux et alliages, céramiques, polymères), leurs propriétés, leurs microstructures, et champs d'application.

Année 1 – Semestre S2       

• Satellites et télédétection – 3 ECTS
  Maîtrisez les principes et les applications de la télédétection et de la technologie satellitaire, de la surveillance environnementale à la recherche de pointe.

• Transfert radiatif et interactions rayonnement-matière – 3 ECTS
  Application des principes des interactions rayonnement-matière dans le contexte des études atmosphériques et autre applications en physique.

• Grandes infrastructures de recherche – 3 ECTS
  Ce cours vise à introduire les principes, le fonctionnement et les applications des principales très grandes infrastructures de recherche (TGIR) utilisées dans la recherche fondamentale et appliquée: synchrotrons, accélérateurs, interféromètres, etc.

Année 2 – Semestre S3       

• Propriétés structuralles de la matière : microscopie électronique et diffraction – 3 ECTS
  Caractériser l'état des matériaux à l'échelle cristalline et nanométrique à l'aide de méthodes expérimentales avancées telles que les microscopes électroniques à balayage et à transmission, et la diffraction des rayons X

• Modélisation à l'échelle atomique II – 3 ECTS
  Introduction aux méthodes quantiques utilisées pour calculer les structures électroniques et propriétés physiques des systèmes moléculaires, des molécules isolées, et des solides.

• Spectroscopie avancée des systèmes moléculaires : de la phase gazeuse à la matière condensée (ASMS) – 3 ECTS
  Ce cours vise à présenter les principes fondamentaux de la caractérisation en physique moléculaire par spectroscopie optique (vibrationnelle, rotationnelle) et neutronique, ainsi que par des techniques diélectriques.

Année 1 – Semestre S1       

• Langue étrangère (français ou anglais) – 3 ECTS
  Améliorez vos compétences en communication dans une langue étrangère
• Programme gradué – 3 ECTS
  Sujets d'actualité et compétences professionnelles dans le cadre du programme gradué « Matériaux pour un avenir durable » de l'Université de Lille.
• Formations encadrées – 3 ECTS
  Approfondissement de sujets en physique à partir de la littérature scientifique. Développement de compétences en matière d'enseignement et de présentation devant les pairs.

Année 1 – Semestre S2       

• Formations encadrées – 3 ECTS
  Approfondissement de sujets en physique à partir de la littérature scientifique. Développement de compétences en matière d'enseignement et de présentation devant les pairs.
• Projet expérimental – 3 ECTS
  Développer l'autonomie, la rigueur scientifique et les compétences techniques des étudiants à travers la réalisation d'un projet expérimental en binôme. Appliquer les connaissances théoriques acquises jusqu'à présent pour résoudre un problème concret.
• Stage – 6 ECTS
  Une expérience de deux mois dans un environnement professionnel.

Année 2 – Semestre S3       

• Langue étrangère (français ou anglais) – 3 ECTS
  Améliorez vos compétences en communication dans une langue étrangère
• Spécialité (choix de 3 parmi 5 – 2 ECTS chacun): 
  • Matériaux sous conditions extrêmes : les états de la matière sous pression et température extrêmes, avec des applications dans les sciences de la matière condensée, des matériaux et de la structure interne des planètes.
  • Métaux et alliages : découvrez les éléments de la recherche en métallurgie physique, de la recherche fondamentale aux applications concrètes.
  • Polymères : comprendre et modéliser les relations entre la structure et les propriétés des matériaux polymères. Méthodes de synthèse et de caractérisation. Comment sélectionner le polymère en fonction des propriétés d'utilisation souhaitées.
  • Cristallographie mathématique : formalisme mathématique pour découvrir les relations entre les plans et les directions, les opérations de symétrie, les transformations de coordonnées et les conversions de l'espace direct à l'espace réciproque.
  • Instrumentation en spectroscopie :  principes fondamentaux de la spectroscopie, instrumentation et relations avec le domaine concerné (sciences de l'environnement, astrophysique, énergie, santé humaine, conception de médicaments, physique fondamentale, etc.).

Année 2 – Semestre S4       

• Stage – 30 ECTS
  Une expérience de cinq à six mois dans un environnement professionnel.

Année 1 – Semestre S1     

• Mécanique des milieux continus – 3 ECTS
  Introduction aux principes de contrainte, déformation, élasticité anisotrope et isotrope avec des applications couvrant un large domaine lié au comportement mécanique des matériaux.
• Physique statistique et phénomènes critiques – 3 ECTS
  Concepts fondamentaux de la physique statistique, axés sur les statistiques de Bose-Einstein et de Fermi-Dirac, les transitions de phase, les phénomènes critiques et le groupe de renormalisation.
• Matière condensée I – Électrons – 3 ECTS
  Notions de base sur les propriétés électroniques en physique des solides, couvrant les propriétés d'équilibre et de transport des solides cristallins, du modèle de Sommerfeld aux semi-conducteurs.
• Physique atomique – 3 ECTS
  Explorer la description quantique mécanique des atomes à un ou plusieurs électrons, approfondir la compréhension de la structure du tableau périodique et étudier comment les atomes interagissent avec la lumière et comment leurs spectres fournissent des informations sur ces systèmes.

Année 1 – Semestre S2     

• Matière condensée II – Phonons – 3 ECTS
  Exploration des propriétés vibrationnelles des solides cristallins, depuis les symétries des réseaux cristallins et la dispersion des phonons jusqu'au comportement thermodynamique. Il fournit les outils fondamentaux pour comprendre la capacité thermique, le transport thermique et la nature quantique des vibrations des réseaux cristallins dans la matière condensée.
• Principes fondamentaux de la spectroscopie moléculaire – 3 ECTS
  Acquérir une solide compréhension des principes de la mécanique quantique qui sous-tendent la spectroscopie moléculaire, en mettant l'accent sur les transitions rotationnelles et vibrationnelles et le rôle de la symétrie dans la détermination de l'activité spectroscopique.
• Microstructures et défauts dans les matériaux – 3 ECTS
  Comment les grains, les défauts et autres éléments microstructuraux contrôlent les propriétés physiques des matériaux.

Année 2 – Semestre S3     

• Thermodynamique avancée et transformations de phase – 3 ECTS
  Ce cours explore les principes régissant les états physiques cristallins et amorphes et leurs transformations dans divers matériaux tels que les alliages métalliques, les verres et les polymères.
• Mobilité moléculaire et état amorphe de la matière – 3 ECTS
  Ce cours présente les caractéristiques des mouvements moléculaires observés dans les matériaux amorphes à l'état surfondu et vitreux, ainsi que la dépendance de ces dynamiques à la température.
• De la macro à la nanophysique – 3 ECTS
  Introduction à la physique des nanomatériaux et présentation de la modification des propriétés optiques, électromagnétiques, thermiques et mécaniques à l'échelle macroscopique et nanométrique.
• Plasticité des matériaux – 3 ECTS
  Bases physiques de la plasticité des solides cristallins, des mécanismes élémentaires au comportement plastique dans diverses conditions.

BCC1 : Mettre en œuvre des outils et des démarches de physique fondamentale pour produire des savoirs hautement spécialisés  – 9 ECTS

• IA et méthodes computationnelles avancées en physique – 3 ECTS
  Explorer les liens entre l'IA, l'apprentissage automatique et la physique. Acquérir une expérience pratique des techniques et applications de pointe adaptées au monde de la physique.

• Modélisation à l'échelle atomique I – 3 ECTS
  Découvrez les techniques de simulation telles que la dynamique moléculaire et les simulatione enMonte Carlo pour prédire et concevoir les propriétés de la matière à l'échelle atomique.

• États de la matière et introduction à la science des matériaux – 3 ECTS 
  Découverte des différentes familles de matériaux (métaux et alliages, céramiques, polymères), leurs propriétés, leurs microstructures, et champs d'application.

BCC2 : Produire et communiquer des savoirs hautement spécialisés, y compris dans un contexte professionnel – 9 ECTS

• Langue étrangère (français ou anglais) – 3 ECTS
  Améliorez vos compétences en communication dans une langue étrangère
• Programme gradué – 3 ECTS
  Sujets d'actualité et compétences professionnelles dans le cadre du programme gradué « Matériaux pour un avenir durable » de l'Université de Lille.
• Formations encadrées – 3 ECTS
  Approfondissement de sujets en physique à partir de la littérature scientifique. Développement de compétences en matière d'enseignement et de présentation devant les pairs.

BCC3 : Résoudre des problèmes complexes en mobilisant les concepts de la physique fondamentale – 12 ECTS

• Mécanique des milieux continus – 3 ECTS
  Introduction aux principes de contrainte, déformation, élasticité anisotrope et isotrope avec des applications couvrant un large domaine lié au comportement mécanique des matériaux.
• Physique statistique et phénomènes critiques – 3 ECTS
  Concepts fondamentaux de la physique statistique, axés sur les statistiques de Bose-Einstein et de Fermi-Dirac, les transitions de phase, les phénomènes critiques et le groupe de renormalisation.
• Matière condensée I – Électrons – 3 ECTS
  Notions de base sur les propriétés électroniques en physique des solides, couvrant les propriétés d'équilibre et de transport des solides cristallins, du modèle de Sommerfeld aux semi-conducteurs.
• Physique atomique – 3 ECTS
  Explorer la description quantique mécanique des atomes à un ou plusieurs électrons, approfondir la compréhension de la structure du tableau périodique et étudier comment les atomes interagissent avec la lumière et comment leurs spectres fournissent des informations sur ces systèmes.

BCC1 : Mettre en œuvre des outils et des démarches de physique fondamentale pour produire des savoirs hautement spécialisés – 9 ECTS

• Satellites et télédétection – 3 ECTS
  Maîtrisez les principes et les applications de la télédétection et de la technologie satellitaire, de la surveillance environnementale à la recherche de pointe.

• Transfert radiatif et interactions rayonnement-matière – 3 ECTS
  Application des principes des interactions rayonnement-matière dans le contexte des études atmosphériques et autre applications en physique.

• Grandes infrastructures de recherche – 3 ECTS
  Ce cours vise à introduire les principes, le fonctionnement et les applications des principales très grandes infrastructures de recherche (TGIR) utilisées dans la recherche fondamentale et appliquée: synchrotrons, accélérateurs, interféromètres, etc.

BCC2 : Produire et communiquer des savoirs hautement spécialisés, y compris dans un contexte professionnel – 12 ECTS

• Formations encadrées – 3 ECTS
  Approfondissement de sujets en physique à partir de la littérature scientifique. Développement de compétences en matière d'enseignement et de présentation devant les pairs.
• Projet expérimental – 3 ECTS
  Développer l'autonomie, la rigueur scientifique et les compétences techniques des étudiants à travers la réalisation d'un projet expérimental en binôme. Appliquer les connaissances théoriques acquises jusqu'à présent pour résoudre un problème concret.
• Stage – 6 ECTS
  Une expérience de deux mois dans un environnement professionnel.

BCC3 : Résoudre des problèmes complexes en mobilisant les concepts de la physique fondamentale – 9 ECTS

• Matière condensée II – Phonons – 3 ECTS
  Exploration des propriétés vibrationnelles des solides cristallins, depuis les symétries des réseaux cristallins et la dispersion des phonons jusqu'au comportement thermodynamique. Il fournit les outils fondamentaux pour comprendre la capacité thermique, le transport thermique et la nature quantique des vibrations des réseaux cristallins dans la matière condensée.
• Principes fondamentaux de la spectroscopie moléculaire – 3 ECTS
  Acquérir une solide compréhension des principes de la mécanique quantique qui sous-tendent la spectroscopie moléculaire, en mettant l'accent sur les transitions rotationnelles et vibrationnelles et le rôle de la symétrie dans la détermination de l'activité spectroscopique.
• Microstructures et défauts dans les matériaux – 3 ECTS
  Comment les grains, les défauts et autres éléments microstructuraux contrôlent les propriétés physiques des matériaux.

BCC1 : Mettre en œuvre des outils et des démarches de physique fondamentale pour produire des savoirs hautement spécialisés  – 9 ECTS

• Propriétés structuralles de la matière : microscopie électronique et diffraction – 3 ECTS
  Caractériser l'état des matériaux à l'échelle cristalline et nanométrique à l'aide de méthodes expérimentales avancées telles que les microscopes électroniques à balayage et à transmission, et la diffraction des rayons X

• Modélisation à l'échelle atomique II – 3 ECTS
  Introduction aux méthodes quantiques utilisées pour calculer les structures électroniques et propriétés physiques des systèmes moléculaires, des molécules isolées, et des solides.

• Spectroscopie avancée des systèmes moléculaires : de la phase gazeuse à la matière condensée (ASMS) – 3 ECTS
  Ce cours vise à présenter les principes fondamentaux de la caractérisation en physique moléculaire par spectroscopie optique (vibrationnelle, rotationnelle) et neutronique, ainsi que par des techniques diélectriques.

BCC2 : Produire et communiquer des savoirs hautement spécialisés, y compris dans un contexte professionnel – 9 ECTS

• Langue étrangère (français ou anglais) – 3 ECTS
  Améliorez vos compétences en communication dans une langue étrangère
• Spécialité (choix de 3 parmi 5 – 2 ECTS chacun): 
  • Matériaux sous conditions extrêmes : les états de la matière sous pression et température extrêmes, avec des applications dans les sciences de la matière condensée, des matériaux et de la structure interne des planètes.
  • Métaux et alliages : découvrez les éléments de la recherche en métallurgie physique, de la recherche fondamentale aux applications concrètes.
  • Polymères : comprendre et modéliser les relations entre la structure et les propriétés des matériaux polymères. Méthodes de synthèse et de caractérisation. Comment sélectionner le polymère en fonction des propriétés d'utilisation souhaitées.
  • Cristallographie mathématique : formalisme mathématique pour découvrir les relations entre les plans et les directions, les opérations de symétrie, les transformations de coordonnées et les conversions de l'espace direct à l'espace réciproque.
  • Instrumentation en spectroscopie :  principes fondamentaux de la spectroscopie, instrumentation et relations avec le domaine concerné (sciences de l'environnement, astrophysique, énergie, santé humaine, conception de médicaments, physique fondamentale, etc.).

BCC3 : Résoudre des problèmes complexes en mobilisant les concepts de la physique fondamentale – 12 ECTS

• Thermodynamique avancée et transformations de phase – 3 ECTS
  Ce cours explore les principes régissant les états physiques cristallins et amorphes et leurs transformations dans divers matériaux tels que les alliages métalliques, les verres et les polymères.
• Mobilité moléculaire et état amorphe de la matière – 3 ECTS
  Ce cours présente les caractéristiques des mouvements moléculaires observés dans les matériaux amorphes à l'état surfondu et vitreux, ainsi que la dépendance de ces dynamiques à la température.
• De la macro à la nanophysique – 3 ECTS
  Introduction à la physique des nanomatériaux et présentation de la modification des propriétés optiques, électromagnétiques, thermiques et mécaniques à l'échelle macroscopique et nanométrique.
• Plasticité des matériaux – 3 ECTS
  Bases physiques de la plasticité des solides cristallins, des mécanismes élémentaires au comportement plastique dans diverses conditions.

BCC2 : Produire et communiquer des savoirs hautement spécialisés, y compris dans un contexte professionnel – 12 ECTS

• Stage – 30 ECTS
  Une expérience de cinq à six mois dans un environnement professionnel.

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]