Thèse Simulations Gros Grains et Comportement Viscoélastique des Photoactuateurs Polymères une Stratégie Bottom-Up H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM Direction de la thèse : Claire LEMARCHAND ORCID 0000000223749984 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-08-31T23:59:59 Les photoactuateurs (PA) sont des matériaux capables de modifier leur forme
macroscopique pour produire un travail mécanique lorsqu'ils sont soumis à une irradiation lumineuse.
Ce projet se concentre sur les photoactuateurs polymères (PAP) généralement constitués d'élastomères dans lesquels des molécules
photoactives sont insérées. Ces PAP présentent de nombreuses applications potentielles dans les mo-
teurs, les dispositifs de libération de médicaments, les textiles ou les générateurs électriques.
Pour optimiser les propriétés des PAP, une compréhension précise du comportement de ces matériaux
à toutes les échelles est nécessaire. Ces échelles comprennent l'échelle moléculaire (photo-réaction des
molécules photoactives), l'échelle supramoléculaire (comportement de la matrice polymère environ-
nante) et l'échelle continue macroscopique (déformation des films polymères).
La simulation multi-échelle de ces matériaux constitue l'objectif du projet SIMULACTOR, qui ras-
semble des chercheurs spécialisés dans la modélisation quantique, atomistique classique et mécanique
des milieux continus. Ce travail de thèse s'inscrit dans la stratégie du projet et concerne le change-
ment d'échelle de l'échelle supramoléculaire à l'échelle continue. Il fait suite à des travaux antérieurs
menés à l'échelle supramoléculaire via des simulations de Dynamique Moléculaire (DM) de PAP modèles
composés de polybutadiène et d'azobenzène [1] ou de dithiényléthène (DTE) [2].
Les PAP sont par nature viscoélastiques, et la modélisation de leur comportement à l'échelle continue
nécessite donc la connaissance de certaines propriétés mécaniques spécifiques, notamment les rigidités
élastiques et les viscosités, ainsi que les lois contrainte-déformation complètes. Ces propriétés peuvent
être obtenues à partir du calcul des modules de relaxation G(t) et K(t) dépendants du temps, qui
caractérisent le comportement viscoélastique linéaire fini.
À l'échelle supramoléculaire, ces modules de relaxation peuvent être obtenus par des simulations
de DM en utilisant la relation de Green-Kubo [3]. Toutefois, pour ces matériaux, les échelles de temps
associées à G(t) et K(t) dépassent largement celles accessibles par DM (de l'ordre de milliers de
secondes contre la microseconde). Ce travail de thèse a donc deux objectifs principaux pour réduire
cet écart : (i) la dynamique accélérée par la température, suivie d'une extrapolation à la température
ambiante (jusqu'à l'échelle de temps de la microseconde), et (ii) des simulations gros grains anisotropes,
une méthode particulaire alimentée par la DM [4] capable de reproduire les propriétés structurales et
dynamiques d'un système atomistique avec une échelle de temps étendue de deux ordres de grandeur.
L'utilisation de particules anisotropes est innovante et améliore la description de propriétés structurales
1complexes comme montré dans la référence [5]. Les deux stratégies sont différentes par nature et leur
comparaison directe permettra une évaluation rigoureuse de leur validité.
Les résultats de ce travail de thèse, parmi lesquels les modules de relaxation G(t) et K(t), pourront
servir de données d'entrée pour les modèles mécaniques continus développés par les partenaires du projet
SIMULACTOR (Unité de Mécanique de Lille, Université de Lille). Les échanges avec l'ensemble des
partenaires du projet (CEA, Institut Interdisciplinaire de Recherche sur l'Énergie, CNRS, Université Paris
Cité) sur le choix des systèmes, les grandeurs mécaniques pertinentes et les problématiques scientifiques
à étudier font également partie intégrante de cette thèse. Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du PEPR LUMA appelé SIMULACTOR qui regroupe des experts de l'échelle quantique (Aurélie Perrier), de l'échelle atomostique classique et de l'échelle continue (Moussa Naït Abdelaziz). Le but est de produire une compréhension multiéchelle profonde du comportement des PAP afin de pouvoir les optimiser. Les objectifs de ce travail de thèse sont doubles, (i) approfondir la connaissance du passage d'échelle de l'atome vers le milieu contibu dans le cas des photoactuateurs polymères (PAP), (ii) fournir des données d'entrée, comme la différence de volume entre plusieurs forme de photochromes et les modules de relaxation G(t) et K(t) de polymères pour un modèle mécanique de PAP développé par nos collaborateurs de l'Univté Mécanique de Lille.