Thèse Conception et Développement d'Un Polymère Biodégradable Multifonctionnel pour une Gestion Durable de l'Eau et des Nutriments en Agriculture H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux Direction de la thèse : Patrick PERRÉ ORCID 0000000304194810 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Ce projet de thèse porte sur la conception et le développement d'un polymère biodégradable multifonctionnel destiné à améliorer la gestion durable de l'eau et des nutriments en agriculture. Face à la raréfaction des ressources hydriques, à la dégradation des sols et à la nécessité d'augmenter durablement la production agricole, le développement de matériaux innovants capables d'optimiser l'utilisation de l'eau et des fertilisants constitue un enjeu majeur.
L'objectif principal est de mettre au point des hydrogels superabsorbants biosourcés, élaborés à partir de polysaccharides naturels tels que la cellulose, l'amidon ou le chitosane. Ces matériaux devront être capables d'absorber et de retenir de grandes quantités d'eau à proximité des racines, de la restituer progressivement selon les besoins des plantes, et d'assurer simultanément l'incorporation puis la libération contrôlée de nutriments essentiels.
Les travaux comprendront la synthèse et l'optimisation des formulations, la caractérisation physicochimique et structurale des matériaux, l'étude de leurs interactions avec l'eau, l'évaluation de leur biodégradabilité ainsi que des essais agronomiques sur différents types de sols, notamment à faible capacité de rétention hydrique. Une attention particulière sera accordée à la modélisation des performances afin d'identifier les meilleurs compromis en termes de composition, de structure et de propriétés fonctionnelles.
Réalisée en cotutelle entre CentraleSupélec - Université Paris-Saclay et l'Université Mohammed VI Polytechnique, cette recherche s'appuiera sur la complémentarité des expertises en science des matériaux, génie des procédés, interactions eau-matériau et agronomie. Les résultats attendus contribueront au développement de solutions durables pour renforcer la résilience des systèmes agricoles face au stress hydrique et aux changements climatiques. La raréfaction des ressources en eau, la dégradation des sols et l'augmentation des besoins alimentaires représentent des défis majeurs pour l'agriculture durable. Ces enjeux sont particulièrement importants dans les régions arides et semi-arides, où la faible rétention hydrique des sols limite la productivité agricole et accentue la vulnérabilité des cultures au stress hydrique. Dans ce contexte, les hydrogels superabsorbants biodégradables à base de polysaccharides constituent une solution prometteuse. Grâce à leur capacité à absorber, retenir puis restituer progressivement l'eau, ces matériaux peuvent améliorer la disponibilité hydrique au niveau racinaire, réduire les pertes par évaporation et optimiser l'efficacité de l'irrigation. Leur fonctionnalisation permet également l'incorporation de nutriments et leur libération contrôlée, contribuant ainsi à une fertilisation plus efficace et plus respectueuse de l'environnement. Ce projet s'inscrit à l'interface de la science des matériaux, du génie des procédés et de l'agronomie. Il vise à établir des relations entre la composition chimique, la structure des hydrogels, leurs interactions avec l'eau et leurs performances en conditions agricoles, afin de développer des matériaux biosourcés adaptés à une gestion durable de l'eau et des nutriments. - Développer des hydrogels superabsorbants biodégradables à base de polysaccharides naturels.
- Optimiser les formulations afin d'améliorer la capacité d'absorption et de rétention d'eau dans les sols.
- Étudier les interactions entre les matériaux développés et l'eau, notamment les phénomènes de gonflement, diffusion et relargage.
- Incorporer des nutriments essentiels dans les hydrogels et évaluer leur libération contrôlée.
- Évaluer la biodégradabilité et l'impact agronomique des matériaux développés.
- Valider les performances des hydrogels dans des sols à faible capacité de rétention hydrique pour une agriculture plus durable. Le projet reposera sur une démarche expérimentale et analytique structurée en plusieurs étapes complémentaires.
1- Synthèse et formulation des matériaux
Des hydrogels biodégradables seront élaborés à partir de polysaccharides naturels tels que la cellulose, l'amidon ou le chitosane. Différentes stratégies de modification chimique et de réticulation seront étudiées afin d'optimiser leurs propriétés fonctionnelles.
2- Optimisation des formulations
Une approche par plans d'expériences (Design of Experiments, DoE) sera mise en oeuvre pour analyser l'effet des paramètres de synthèse sur les performances des matériaux et identifier les formulations les plus prometteuses.
3-Caractérisation physicochimique et structurale
Les matériaux développés seront caractérisés par différentes techniques analytiques (FTIR, XPS, RMN solide, SEM, analyses thermiques, rhéologie) afin de déterminer leur composition, leur structure et leurs propriétés mécaniques.
4- Étude des interactions eau-matériau
Les capacités de gonflement, la cinétique d'absorption, la rétention d'eau et les comportements en cycles humidification/séchage seront évalués dans différentes conditions de pH, température et salinité.
5- Chargement et libération des nutriments
Les nutriments essentiels seront incorporés dans les hydrogels par différentes méthodes, puis les cinétiques de libération seront étudiées en milieu aqueux et en sol.
6- Évaluation agronomique
Des essais sur sols à faible capacité de rétention hydrique seront réalisés afin d'évaluer l'impact des matériaux sur l'humidité du sol, la disponibilité des nutriments et la croissance des plantes.
7 - Analyse des données et modélisation
Les résultats expérimentaux seront exploités à l'aide d'outils statistiques et de modélisation pour relier formulation, structure et performances d'usage.