Simulation multiphysique et multi-échelle des déformations photo-induites dans les polymères fonctionnels

Les photoactionneurs polymères (PPA) constituent une classe prometteuse de matériaux intelligents capables de convertir une stimulation lumineuse en déformation mécanique réversible[1]. Basés sur des matrices polymères dopées par des molécules photochromes (telles que l’azobenzène ou les dérivés de dithiénylethène)[2,3], ces systèmes présentent un fort potentiel pour des applications en robotique souple[4], dispositifs médicaux ou systèmes de conversion d’énergie (Figure 1). Néanmoins, leurs performances restent limitées, notamment en termes de vitesse de réponse et d’efficacité, en raison d’une compréhension encore incomplète des mécanismes couplés intervenant à différentes échelles (moléculaire, microstructurale et macroscopique)[3].

Dans ce contexte, cette thèse, intégrée au projet SIMULACTOR du programme ANR PEPR LUMA, vise à développer une approche de simulation multi-échelle pour modéliser et optimiser le comportement photomécanique des PPA.

Les objectifs principaux sont :

• développer un modèle multiphysique macroscopique (FEM) intégrant les couplages optique, chimique et mécanique ;

• identifier les paramètres du modèle à partir de données issues des échelles fines (Quantum Mechanics, dynamique moléculaire) afin de dépasser les approches empiriques ;

• étendre la modélisation à des milieux hétérogènes pour analyser l’impact de la microstructure sur les propriétés macroscopiques ;

• proposer une approche complémentaire par méthode des éléments discrets (DEM) pour quantifier les interactions locales ;

• explorer des stratégies d’optimisation, notamment via l’intelligence artificielle (apprentissage automatique), pour concevoir des architectures de matériaux performantes.

L’objectif final est de fournir un outil prédictif intégré permettant de relier structure, propriétés et performances, et d’accélérer la conception de photoactionneurs polymères optimisés.

La création de l'Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq (UML), le 1er janvier 2018, s’inscrit dans une phase de restructuration de la mécanique lilloise. Il se veut une continuité de l'histoire du Laboratoire de Mécanique de Lille (LML), créé il y a plus de 30 ans, histoire riche de phases de croissance et de développements importants.
 

Les champs scientifiques concernés par l’Unité de Mécanique de Lille sont doubles puisqu’ils regroupent des mécaniciens des fluides et des solides.

Pour la partie Mécanique des Fluides, il s’agit d’étudier et de comprendre les phénomènes physiques liés au comportement des écoulements complexes de fluides Newtoniens, non-Newtoniens et leur interaction. Plus précisément, les activités de recherche sont orientées sur l’étude de la réduction de la traînée en écoulement turbulent, les instabilités hydrodynamiques et thermiques, la dispersion et la convection turbulente avec applications à l’environnement. Sur la base de la compréhension physique des écoulements, les approches utilisées sont exclusivement celles de la modélisation analytique ou numérique avec l’élaboration de codes spécifiques ou d’implémentation dans des codes commerciaux.

Pour la partie Mécanique des Solides, il s’agit essentiellement du domaine de la mécanique des matériaux où les recherches menées concernent l’étude du comportement mécanique, de l’endommagement (en chargement monotone, en fatigue et par impact). Ces recherches s’appuient sur des approches à la fois expérimentales et de modélisation analytique ou numériques. Les complexités sont liées aux non linéarités matérielles (grandes transformations pour les polymères, par exemple), aux couplages (thermomécanique, endommagement, vieillissement, fluides-solides, etc.) et aux chargements (uniaxiaux, multiaxiaux, impacts).

A signaler enfin une thématique spécifique, concernant les interactions fluides structures (IFS) et dont la ligne directrice est le développement des méthodes numériques, sera consolidée.

Le laboratoire UML est structuré en deux équipes de recherche :

Mécanique des Fluides Complexes (MFC) qui s'intéresse à l’étude et à la compréhension de phénomènes physiques liés au comportement des écoulements complexes de fluides Newtoniens, non-Newtoniens et leur interaction. Nous nous intéressons aux instabilités et aux turbulences dans les écoulements viscoélastiques, dans les systèmes à convection naturelle et dans les systèmes multiphasiques à phases dispersées . Au cours des dernières années, nous avons accru notre intérêt pour la mécanique des fluides environnemental et developpé des recherches axée sur la modelisation des processus bio-geo-chimiques océaniques.

Mécanique des Matériaux et des Structures (MMS) avec des spécificités portant sur les grandes déformations, les sollicitations dynamiques (impact balistique), et qui axe ses recherches sur les problèmes de couplages procédé-propriétés et l’endommagement (fatigue et rupture). Cette équipe développe à la fois des méthodes expérimentales et la modélisation analytique et numérique basées sur des approches multi-échelles, en s’appuyant sur les techniques d’homogénéisation.

• Étudiant Bac+5 (Master / 3ᵉ année du cycle ingénieur) avec un profil mécanique et/ou matériaux, autonome, méthodique, rigoureux, et ayant un bon esprit d’équipe.

• Des connaissances en mécanique des matériaux et des structures sont requises. De bonnes aptitudes rédactionnelles sont également attendues.

• Des compétences en simulation numérique seraient un atout supplémentaire.