Thèse Mélanges Ternaire Liquide-Gaz une Description Multi-Échelle Expérimentale et Numérique H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique Direction de la thèse : Marie PLAZANET ORCID 0000000270418299 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59 Le travail de thèse proposé ici concerne l'étude des mélanges ternaires liquide-gaz - en particulier l'eau, l'éthanol et le CO - dans un cadre de recherche de solvants durables. L'objectif est de fournir une description physique unifiée des solvants expansés et des solutions de nanobulles, qui sont encore mal compris malgré leur potentiel industriel.
Les solvants expansés, formés par la dissolution de CO dense dans des liquides, présentent des changements de propriétés impressionnants : expansion volumique pouvant atteindre 900 %, modification du pH ou de la polarité, modification de la viscosité et diffusion accrue des solutés. Ces systèmes, à l'équilibre thermodynamique, offrent des propriétés ajustables, par exemple pour la séparation ou l'extraction en phase liquide. Leur pendant hors équilibre est constitué par les solutions de nanobulles, qui contiennent des bulles stables à l'échelle nanométrique (rayon de 50 nm, durée de vie de plusieurs semaines) à des concentrations pouvant atteindre 10¹ bulles/L ou une fraction volumique de 60 %, où la stabilité des bulles est jusqu'à présent supposée être régie par les ions tensioactifs, l'électrostatique et les effets de Marangoni.
Nous visons à fournir une comparaison directe entre (i) l'organisation structurale et les propriétés de transport d'un liquide expansé par un gaz et d'une solution de nanobulles dans un mélange ternaire, de l'échelle microscopique à la vision macroscopique ; (ii) une modélisation des effets régissant la diffusion des bulles, de la description microscopique de la double couche électrique à la viscosité macroscopique et au mélange induit par les bulles.
Ce projet se situe à la pointe de la recherche sur les solvants durables, en combinant des techniques expérimentales bien établies avec des simulations avancées afin de faire le lien entre ces deux systèmes, dans le but de comparer leur organisation structurale (de l'échelle moléculaire à l'échelle macroscopique) et leurs propriétés de transport (diffusion, grossissement des bulles, mouvement collectif des bulles).
Les travaux expérimentaux seront menés au Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LIPhy) avec M. Plazanet. La préparation des échantillons et la caractérisation thermodynamique seront réalisées au LIPhy. L'utilisation de grandes d'infrastructures de recherche pour la diffusion neutronique ou la diffusion des rayons X, telles que l'ILL ou l'ESRF respectivement, fournira des informations sur l'organisation structurale et l'auto-assemblage grâce à la diffusion à petit angle (SAXS/SANS), tandis que la diffusion neutronique quasi-élastique (QENS) permettra d'étudier les propriétés de diffusion et de transport. La diffusion neutronique bénéficiera de la possibilité de substitution H/D pour faire varier les contrastes.
Les travaux numériques seront menés au SIMaP, en collaboration avec R. Vallon. Ils seront réalisés à l'aide du logiciel Basilisk, dont le raffinement adaptatif du maillage permet d'effectuer des simulations efficaces à l'échelle mésoscopique, en tenant compte des écoulements multiphasiques, de l'électrohydrodynamique et des effets de Marangoni. À l'aide de ce code open source, des simulations numériques directes (DNS- direct numerical simulations) seront calculées sur des supercalculateurs (HPC -High Performance Computing) pour simuler (i) des nanobulles individuelles, validées par rapport à des simulations de dynamique moléculaire (MD), et (ii) des essaims de nanobulles (agrandissement, stabilité, mélange). La faisabilité de la simulation de solvants expansés et l'adaptation des solveurs aux propriétés dépendantes du CO seront également explorées. Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une thématique développée au sein de l'équipe MODI du LIPhy, sur la capture, stockage et utilisation du CO2 dans des phases liquides d'une part, et sur la compréhension des effets régissant le transport de bulles dans un solvant de l'autre.
Récemment recruté dans l'équipe EPM (Élaboration et Procédés Magnétiques) du SIMaP, R. Vallon démarre son activité de recherche numérique sur les écoulements multiphasiques soumis à des champs électromagnétiques pour comprendre l'influence de la phase dispersée gazeuse sur les transfert de chaleur dans des liquides, en commençant par les effets électrostatiques des doubles couches électriques.
Le doctorat sera composé de deux partie, l'une expériementale aun LIPhy et l'autre numérique au SIMaP. - Établir une comparaison directe entre l'organisation structurale et les propriétés de transport d'un liquide expansé et d'une solution de nanobulles dans un mélange ternaire, de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique ;
- Modéliser les effets qui régissent la diffusion des bulles, depuis la description microscopique de la double couche électrique jusqu'à la viscosité macroscopique et au mélange induit par les bulles. Travail expérimental basé sur des caractérisations de laboratoire (instrumentation commerciale), des mesures de diffusion de la lumière (dispositif développé au laboratoire) et des techniques de grands instruments.
Travail numérique basé sur le code Basilisk, permettant une utilisation plus ou moins routinière selon les détails recherchés.