Thèse Propagation du Plasma et Transport des Espèces Réactives dans les Milieux Poreux des Mécanismes Fondamentaux aux Applications en Biologie H/F

École polytechnique

Établissement : École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Plasmas
Direction de la thèse : ANTOINE ROUSSEAU ORCID 0000000289655307
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-11-25T23:59:59

Les Plasmas Froids Atmosphériques (PFA) sont des gaz faiblement ionisés produits par des décharges électromagnétiques qui opèrent à des températures proches de l'ambiante, ce qui les rend particulièrement adaptés au traitement direct d'organismes vivants et de matériaux thermosensibles. Le domaine de l'interaction des PFA avec les matériaux biologiques est devenu un axe de recherche majeur, englobant à la fois la physique fondamentale des plasmas et des applications diverses incluant la médecine par plasma, la remédiation environnementale, et les technologies de purification de l'eau et de l'air.
Les PFA peuvent être générés dans l'air ambiant ou en contact direct avec divers substrats, notamment des surfaces solides, des interfaces liquides et des tissus vivants. La plupart des PFA se manifestent sous forme d'ondes d'ionisation qui se propagent à des vitesses approchant 10-10 m/s, transportant des champs électriques intenses (10-100 kV/cm) sur des longueurs de propagation caractéristiques de quelques millimètres. Les Jets de Plasma Atmosphérique (JPA) représentent une classe spécifique de PFA qui se propagent à travers des capillaires diélectriques alimentés par un flux de gaz noble, atteignant des longueurs de propagation remarquablement étendues pouvant aller de plusieurs centimètres à plusieurs mètres.
Lorsque les PFA interagissent avec des matériaux poreux-tels que les textiles, les tissus biologiques, les pansements ou les membranes poreuses-le comportement du plasma devient significativement plus complexe qu'avec des surfaces planes non poreuses. La structure interconnectée des pores crée des chemins tortueux qui modifient la dynamique de propagation du plasma, les patterns d'écoulement gazeux et le transport des espèces réactives. La perméabilité gazeuse à travers la matrice poreuse influence la distribution des espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (RONS) générées par le plasma, tandis que le rapport surface/volume élevé des matériaux poreux favorise les réactions chimiques hétérogènes à l'interface gaz-solide. De plus, les effets capillaires dans les milieux poreux imprégnés de liquide-tels que l'exsudat de plaie dans les tissus biologiques-créent des mécanismes supplémentaires d'interaction plasma-liquide au sein du réseau poreux tridimensionnel. La compréhension de ces interactions multiphasiques est cruciale pour optimiser les traitements par PFA des plaies, la stérilisation de dispositifs médicaux poreux et la fonctionnalisation de matériaux textiles.
L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes fondamentaux régissant la propagation des PFA et le transfert d'énergie aux interfaces liquides et poreuses. Cette recherche s'appuiera sur une approche principalement expérimentale, complétée par une modélisation théorique et/ou des simulations numériques afin d'élucider les interactions plasma-surface complexes dans ces géométries difficiles. Plusieurs aspects seront étudiés :

Dynamique de Propagation du Plasma dans des Géométries Complexes
Transport et Distribution des Espèces Réactives dans les Milieux Poreux
Interactions Plasma Multiphasiques aux Interfaces Poreuses Imprégnées de Liquide

Ces axes de recherche abordent la physique fondamentale tout en maintenant des liens clairs avec les applications pratiques en médecine et pour la germination des graines.

Positioning of the PhD subject
Cold atmospheric plasma interactions with porous materials represent a critical yet underexplored frontier in plasma science, bridging fundamental physics with high-impact medical and environmental applications. Unlike well-characterized flat surface interactions, porous substrates introduce complex three-dimensional geometries where plasma propagation, reactive species transport, and multiphase chemistry are intimately coupled through tortuous pathways and capillary effects. Understanding these mechanisms is essential for optimizing plasma-based treatments of biological tissues, plants or seeds, and sterilization of porous medical devices. This research addresses a fundamental knowledge gap by combining experimental characterization with theoretical modeling to elucidate how pore structure governs plasma energy deposition and reactive species distribution. The outcomes will establish design principles for next-generation plasma medical devices and advance our fundamental understanding of plasma behavior in complex, real-world geometries.

3 main research objectives will be addressed during the PhD

1. Plasma Propagation Dynamics in Complex Geometries
-Investigate how ionization wave propagation is modified by porous structures compared to flat surfaces
-Characterize the influence of pore size, porosity, and tortuosity on plasma penetration depth and electric field distribution
-Study gas flow patterns and their coupling with plasma dynamics in three-dimensional porous networks
2. Reactive Species Transport and Distribution in Porous Media
-Examine RONS generation, transport, and distribution within interconnected pore structures
-Quantify the role of surface-to-volume ratio on heterogeneous chemical reactions at gas-solid interfaces
-Investigate the lifetime and concentration gradients of short-lived reactive species in porous geometries
3. Multiphase Plasma Interactions at Liquid-Impregnated Porous Interfaces
-Study plasma-liquid interactions in capillary-dominated environments (e.g., wound exudate in tissues)
-Characterize energy and species transfer mechanisms across gas-liquid-solid triple-phase boundaries
-Develop predictive models for optimizing CAP treatment efficacy in applications involving porous substrates
These bullet points address the fundamental physics while maintaining clear connections to practical applications in medicine and materials processing.

Methodology

This research will employ a combined experimental and modeling approach to investigate plasma interactions with porous materials. Experimentally, we will utilize high-speed imaging (ICCD cameras) and electrical diagnostics to characterize plasma propagation dynamics through controlled porous structures with varying porosity, pore size, and tortuosity. Optical emission spectroscopy (OES) and mass spectrometry will quantify reactive species generation and transport within the porous network. For liquid-impregnated porous media, we will develop novel diagnostic techniques combining fluorescence-based RONS detection to map species distribution and flow patterns simultaneously. Temperature mapping via infrared thermography will assess thermal effects, while electric field measurements using Pockels effect or Stark spectroscopy will characterize field penetration into porous structures. Model porous substrates (controlled membranes, 3D-printed scaffolds) will be systematically compared with biological tissues, wound dressings, seeds to bridge fundamental understanding with medical applications. The experimental work will be possibly complemented by 2D fluid-plasma simulations coupling gas flow, plasma chemistry, and porous media transport to validate physical mechanisms and predict treatment outcomes. This integrated methodology will establish quantitative structure-property relationships linking porous geometry to plasma efficacy.