CARactérisation in-situ de MIcro et NAno systèmes particulaires (CARMINA) – CARMINA

Les systèmes transportant ou conduisant à la formation de particules dont la taille varie de quelques nanomètres à quelques microns font l?objet de nombreux travaux de recherche, fondamentaux et appliqués. Ces particules ont une très grande surface spécifique. Elles sont de ce fait chimiquement et thermodynamiquement très actives. Les micros, et plus encore les nano particules, sont déjà à la base du développement de céramiques et composants électroniques avancés, tout comme de nouvelles piles à combustible ou micro échangeurs thermiques. Pour exactement les mêmes raisons physiques mais avec des conséquences diamétralement opposées, la mesure et le contrôle de ces microparticules sont devenus des sujets cruciaux car elles représentent un danger certain pour la santé, l?environnement, et même pour le fonctionnement des réacteurs de fusion thermonucléaire. Le contrôle de la distribution en taille et de la concentration en micro et nano particules d?un système est donc un point crucial. Cependant, les mesures nécessaires sont rendues très délicates par le fait même que ces particules sont très volatiles et s?agrègent facilement. Les techniques d?échantillonnage et d?analyse classiques sont trop intrusives pour permettre une étude in-situ ou un control efficace des propriétés de ces particules, de la dynamique de ces milieux particulaires. Le but de ce projet de recherche est de ce fait de développer, in fine, une technique optique qui permette de caractériser des systèmes nano et micro particulaires, de manière non intrusive, c'est-à-dire à relativement grande distance et avec peu d'accès optiques. Cette technique peut-être qualifiée de Technique de Spectroscopie d?Extinction (TSE). Elle permettra de déduire d?une mesure de la transmission spectrale d?un faisceau large bande à travers le milieu, la concentration en particules de ce dernier et la granulométrie de celles-ci. Potentiellement nous la croyons particulièrement bien adaptée pour la caractérisation à la fois de systèmes réactifs comme les flammes ou les plasmas, ou de système liquides comme les suspensions. Pour développer cette méthode, il nous faut cependant résoudre différents problèmes scientifiques et techniques. Ce projet est de décomposé en cinq tâches: Tâche 1 Développement de modèles d'agrégation et de modèles de diffusion de la lumière (électromagnétiques et d'optique physique) par des particules fractales et irrégulières, dont la taille va de l?ordre du nanomètre à quelques micromètres. Tâche 2 Adaptation et développement spécifique d'un réacteur plasma pour la production et le contrôle de nano et micro particules. Ce réacteur permettra de valider les techniques optiques développées. Il intégrera lui-même une mesure de concentration en poussières basée sur une mesure de capacitance. Tâche 3 Développement de deux systèmes TSE complémentaires, couvrant une gamme spectrale allant des UV durs à l?infrarouge moyen. Nous développerons également les algorithmes d?inversion ad hoc, de même qu?un second dispositif optique d?enregistrement des diagrammes de diffusion sur une large gamme angulaire. Ce dernier nous servira de référence pour déterminer la dimension fractale des agrégats, le diamètre des monomères. Tâche 4 Une fois les outils théoriques, numériques et systèmes de mesure validés, il s?agira de tester la TSE sur différents systèmes particulaires d?importance : suspension colloïdale ou « nano-fluides », suies formées par une flamme de diffusion, aérosols simulant les poussières observées dans les réacteur de fusion. Tache 5 Nous synthétiserons les résultats obtenus et élaboration une stratégie pour valoriser au mieux ceux-ci