Les thèmes

La Fédération de Recherche FERMAT (Fluides, Energie, Réacteurs, Matériaux et Transferts) est organisée autour de  5 grands champs thématiques ou thèmes de recherche :

Ecoulements Polyphasiques

Responsables du thème

Les objectifs de ce thème sont de progresser dans la compréhension des questions scientifiques académiques et/ou industrielles liées à la présence et aux interactions entre deux ou plusieurs phases (gaz, liquide, solide) sur la rhéologie, sur les transferts entre phases et sur les propriétés des populations des objets impliqués. Ces problématiques sont abordées sous différents points de vue (homogène ou hétérogène, macroscopique ou microscopique) et pour différentes entités : particules solides, bulles, flocs…etc.

  • La spécificité qui est développée dans ce thème assez large de FERMaT est d’articuler les approches microscopiques polyphasiques avec les approches macroscopiques du réacteur ou des systèmes polyphasiques.
  • La fédération FERMaT apporte un cadre et des moyens qui favorisent les collaborations entre équipes et la réunion de compétences propres à traiter ces couplages entre échelles et les problèmes multiphysiques identifiés. Les complémentarités d’approche que l’on retrouve dans le thème « Ecoulements Polyphasiques » sont donc essentielles pour l’étude de ces échanges couplés avec ou sans changement d’échelle (two-way coupling, multiscale approach).
  • Pour répondre à ces enjeux, des moyens d’investigation numériques et expérimentaux sont mis en œuvre conjointement via des moyens innovants :
  • des équipements lourds pour caractériser les écoulements (PIV rapide, PLIF, caméra rapide) et les milieux polyphasiques complexes (rhéomètre, morpho-granulomètre, caméras haute définition)
  • des outils numériques spécifiques partagés  (codes de simulation directe, lagrangien, eulérien, LES,  tels que JADIM, DIVA, Neptune…)

Les projets en cours

Ce thème regroupe actuellement une vingtaine d’actions de recherche collaboratives organisées en quatre grands pôles :

  • le mélange et la séparation polyphasiques, avec des travaux portant par exemple sur la séparation centrifuge ou sur les phénomènes de fluidisation (élutriation dans les lits fluidisés, fluidisation solide-liquide,…),
  • la dynamique et la rhéologie des interfaces (capture de particules par des interfaces, …),
  • les transferts et réactions aux interfaces, sur des échelles allant de la bulle ou particule isolée aux suspensions denses (colonnes à bulles, bassins d’aération pour l’étude du transfert d’oxygène,…),
  • les suspensions et solutions complexes où sont examinés l’influence de l’hydrodynamique sur le comportement de suspensions (rhéologie, phénomènes d’agrégation-rupture,…), le comportement et la morphologie d’objets biologiques en suspension (traitement des eaux usées par bioréacteur à membrane, cultures cellulaires, bio-séparation) ou encore les systèmes d’agitation en fluide complexe.

Ingénierie pour le vivant

Responsables du thème

  • Sylvie Lorthois – Sylvie.Lorthois@imft.fr
  • Jérome Morchain – morchain@insa-toulouse.fr
  • Pascal Swider – swider@imft.fr

La Fédération de Recherche FERMAT (Fluides, Energie, Réacteurs, Matériaux et Transferts) a pour objectif central d’initier et de soutenir des projets de recherche interdisciplinaires dans le domaine des Sciences pour l’Ingénieur, sur Toulouse et la Région Midi-Pyrénées. Parmi ces domaines, le domaine de l’Ingénierie pour le Vivant est en fort développement. C’est pourquoi,FERMAT souhaite fédérer les initiatives des 6 laboratoires toulousains participant à la fédération : le Laboratoire de Génie Chimique, l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, le Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et Procédés, le Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux, le LAboratoire PLAsma et Conversion et d’Energie et le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes.

Ces laboratoires ont, pour la plupart, développé des recherches impliquant des systèmes vivants. Les objets d’étude sont variés et concernent toutes les échelles, de la molécule aux systèmes biologiques complexes, naturels (organes, écosystèmes) ou conçus par l’homme (biomatériaux, biocapteurs, bioréacteurs) en passant par la cellule étudiée seule ou en population organisée (colonies bactériennes, agrégats, biofilms, tissus vivants). Les nombreux champs applicatifs incluent l’environnement, le développement durable, l’agro-alimentaire, les énergies nouvelles et la santé prise dans un sens large (domaine biomédical, pharmacologie, prévention, diagnostic, traitement et suivi de patients). Ces recherches ont croisé les approches prédictives issues des sciences pour l’Ingénieur au cœur de FERMAT (génie des procédés, mécanique des fluides et des solides, matériaux, énergétique, microsystèmes..) et les approches spécifiques de la biologie ou de la médecine (génétique, biochimie). Cette démarche intégrative mérite d’être structurée à l’échelon régional en élargissant au besoin le périmètre actuel de la fédération FERMAT.

Dans ce contexte, les synergies à développer doivent permettre d’aborder des questions scientifiques ouvertes telles que :

  • Comment décrire et prévoir le fonctionnement de ces systèmes vivants en développant des méthodologies interdisciplinaires  intégrant les connaissances de la biologie, de la biochimie, de la physique et de la mécanique ?
  • Comment caractériser et/ou maîtriser le comportement des systèmes vivants dans un environnement naturel ou artificiel contrôlé ?
  • Comment mettre en œuvre et valoriser les technologies et métrologies existantes, en concevoir de nouvelles pour étudier, observer, modifier et réparer les systèmes vivants ?
  • Comment les problématiques du vivant peuvent-elle contribuer à l’avancée des recherches dans le domaine des sciences pour l’ingénieur et réciproquement ?
  • Comment développer des programmes collaboratifs et  réellement interdisciplinaires associant des chercheurs de domaines multiples ?

    Les projets en cours

    Matériaux et Applications

    Responsables du thème

    • Zarel VALDEZ NAVA
      CR CNRS, LAPLACE, valdez@laplace.univ-tlse.fr
    • Moukrane DEHMAS
      PR Toulouse INP, CIRIMAT, moukrane.dehmas@toulouse-inp.fr

    Objectif tu thème

    Le thème Matériaux et Applications aborde des problématiques très diversifiées au sein de la Fédération, depuis la synthèse, l’élaboration et la caractérisation de matériaux en vue de fonctionnalisation et d’application dans de nombreux domaines. Dans ce thème cohabitent principalement des chercheurs issus des laboratoires de physique, chimie, ingénierie des matériaux, génie procédés, génie électrique, génie mécanique et microélectronique. L’objectif du thème est de favoriser les rencontres et interactions entre chercheurs de ces disciplines très variées, complémentaires et interdépendantes. Notre action se traduit par l’animation scientifique et le soutien à des projets au sein d’une communauté de chercheurs qui ont une spécialisation sur des domaines différents tels que

    1. la mise en place de méthodes de préparation et/ou de mise en forme ;
    2. la caractérisation microstructurale ;
    3. le développement et application d’outils de modélisation.

    Les sujets de recherche peuvent être très variés, mais de façon générale, ils concernent les applications de matériaux issus de procédés d’élaboration de couches minces (CVD, PVD), et aussi de matériaux avec des applications pour l’énergie (électro-chimique, électronique, photovoltaïque) mais le thème s’ouvre vers des collaborations impliquant les nanomatériaux et les matériaux de structure ( génie civil, aéronautique) notamment sur la problématique du vieillissement. Ainsi, plus récemment, avec l’évolution du périmètre des laboratoires impliqués dans la Fédération, des collaborations autour de la modélisation à l’échelle atomique et de la microstructure sont envisagées.

     

    Dans le Thème participent des chercheurs de plusieurs laboratoires :

    CEMES, CIRIMAT, IMFT, IMRCP, IPBS, LAAS, LAPLACE, LCC, LGC, LGP, LMDC, LPCNO

    Le thème dispose d’une liste de diffusion pour faciliter la diffusion des informations au sein du Thème, avec une archive des comptes rendus de réunions du Thème et du Conseil de la Fédération.

    L’inscription à la liste se fait sur demande, auprès des responsables du Thème.

    Projets en cours

    Nom du projet Laboratoires
    Ingénierie des matériaux moléculaires appliquée à conversion photovoltaïque organique – Étude des Interactions Électroniques aux Interface

    LAPLACE

    LCC

    LAAS

    Étude d’un procédé ALD (Atomic Layer Deposition) pour le dépôt d’alumine

    LGC

    CIRIMAT

    LAAS

    Étude d’un procédé d’oCVD pour le dépôt de couches minces de polymères conducteurs

    LGC

    CIRIMAT

    Délivrance transdermale de médicaments par électrostimulation

    CIRIMAT

    IPBS

    LAPLACE

    Dépôt d’alumine par MOCVD à partir d’ATI et de DMAI

    LGC

    CIRIMAT

    Revêtements multifonctionnels pour l’aéronautique par injection de nanoparticules dans un procédé plasmas froids

    CIRIMAT

    IMRCP

    LAPLACE

    LCC

     

    Microfluidique et Microréacteurs

    Responsables du thème

    • Christine Lafforgue-Baldas
    • Stéphane Colin

    La microfluidique et les microsystèmes fluidiques connaissent actuellement un essor remarquable et relèvent de secteurs applicatifs très nombreux tels que la chimie, l’aéronautique, la biologie médicale ou l’environnement, avec de forts enjeux en termes de recherche et d’innovation technologique. Selon le contexte, les problématiques scientifiques peuvent être très différentes et mettre en jeu des phénomènes nouveaux liés au confinement poussé, tels que les effets de raréfaction dans les gaz et les effets électrocinétiques dans les liquides. D’autre part, l’augmentation des rapports surface/volume s’accompagnent d’une intensification forte des transferts aussi bien en écoulements monophasiques que diphasiques, modifie le poids relatif des forces linéiques et surfaciques par rapport aux forces volumiques, et donne un rôle prépondérant à tous les phénomènes interfaciaux. Dans ce contexte, le thème Microfluidique et Microréacteurs de FERMaT s’intéresse aux mécanismes hydrodynamiques et de transferts thermiques ou de masse intervenant à des échelles micrométriques, dans des écoulements liquides, gazeux ou polyphasiques, éventuellement avec changements de phase ou réactions chimiques, au sein de micro-canaux ou de microsystèmes plus complexes. Les applications faisant l’objet de ces travaux sont variées et concernent aussi bien les micro-échangeurs thermiques que les microréacteurs ou les micro-séparateurs. La complexité des situations rencontrées positionne les recherches qui sont menées dans ce thème au carrefour de plusieurs disciplines (mécanique des fluides expérimentale et numérique, thermodynamique, microbiologie, chimie, micro-fabrication). Ces activités de recherche trouvent naturellement un appui considérable au sein de la fédération et se déclinent à travers les projets décrits ci-dessous.

    Projets en cours

    • Projet : Micro-thermométrie dans les fluides par marquage moléculaire

    Dans ce projet, on s’intéresse à la mesure de champs de température dans un fluide (gaz ou liquide) circulant dans un dispositif milli- ou microfluidique. L’objectif est d’obtenir des mesures locales de température. Les techniques les plus répandues de mesure de température (thermométrie par résistance ou par thermocouple) sont peu adaptées aux appareils miniaturisés car elles sont intrusives et peuvent générer une perturbation significative de l’écoulement si les capteurs sont positionnés dans l’écoulement, ou ne fournir qu’une information très localisée s’ils sont positionnés en paroi.

    > Lire le projet : Micro-thermométrie dans les fluides par marquage moléculaire 

    • Projet : Intensification des phénomènes de transfert de matière gaz-liquide dans les réacteurs microstructures

    Ce projet vise à mieux comprendre et à caractériser les phénomènes de transfert de matière gaz-liquide ayant lieu lors de la mise en contact d’une phase liquide et d’une phase gazeuse dans des réacteurs microstructurés.

    Lire le projet : Intensitification des phénomènes de transfert de matière gaz-liquide dans les réacteurs microstructures

    • Projet : Micro-écoulements gazeux : analyse expérimentale par marquage moléculaire

    Dans ce projet, on analyse les particularités des micro-écoulements gazeux à l’aide de la vélocimétrie par marquage moléculaire (Micro Molecular Tagging Velocimetry – µMTV). L’objectif est d’obtenir des mesures locales de vitesse dans le régime continu puis dans le régime glissant, sujet à un déséquilibre thermodynamique dans la couche de Knudsen qui se traduit par un saut de vitesse et de température à la paroi. L’analyse expérimentale se trouve confrontée à des problèmes de diffusion moléculaire inter-espèces (entre gaz porteur et traceur) qu’on s’attache à comprendre et résoudre par simulation directe de Monte Carlo. Les écoulements étudiés peuvent être générés par un gradient de pression ou par un gradient de température. Un objectif complémentaire est d’analyser les champs de température, également par marquage moléculaire (Micro Molecular Tagging Thermometry – µMTT).

    > Lire le projet : Micro-écoulements gazeux : analyse expérimentale par marquage moléculaire

    • Projet : Suspensions de particules inertes et biologiques en écoulement dans des microcanaux. Application à la microséparation

    L’objectif du projet est de comprendre le comportement d’objets dans un écoulement en micro-canal, afin d’optimiser les microsystèmes servant à la concentration, séparation, détection ou tri de particules. L’avantage d’un micro-système est qu’il est à la fois compact, rapide, transportable et à faible coût. Le principe de fonctionnement choisi est basé sur la focalisation inertielle des particules par migration à travers les lignes de courant, qui permet d’obtenir à partir d’une suspension homogène de particules polydisperses, une suspension régulière de particules ordonnées sur des lignes de courant bien déterminées. L’analyse expérimentale et numérique développée vise à comprendre les phénomènes mis en jeu dans la migration puis à concevoir des géométries et des conditions opératoires où la sélectivité en vue de la séparation serait optimale.

    > Lire le projet : Suspensions de particules inertes et biologiques en écoulement dans des microcanaux. Application à la microséparation

     

    • Projet : Microfluidique Supercritique : hydrodynamique et transfert de matière de systèmes diphasiques liquide/CO² supercritique en micro-écoulement

    Ce projet réunit deux équipes de recherche autour de problématiques scientifiques et techniques liées à la mise en œuvre de systèmes diphasiques impliquant du CO² au-dessus de son point critique (31,1°C et 73,8 bar) et une seconde phase liquide, au sein de dispositifs microfluidiques. Ces dispositifs, qui font appel à des technologies différentes, ont été conçus et fabriqués par les deux laboratoires pour résister aux conditions de pression élevées et permettre l’observation visuelle (transparence) tout en étant compatibles avec l’utilisation de CO² supercritique. Le comportement hydrodynamique de systèmes binaires diphasiques a été à ce jour sujet d’étude, en particulier CO²+liquide ionique, CO²+ éthanol, CO²+eau grâce à des méthodes de visualisation et traitement par ombroscopie. Ces études ont pu mettre en évidence des changements de régimes d’écoulement importants liés aux variations de propriétés des phases le long des canaux et/ou dépendant du comportement thermodynamique du mélange en fonction des conditions de pression, composition ou température. Les deux équipes souhaitent aujourd’hui réunir leurs connaissances et moyens expérimentaux pour accéder de façon plus fine aux propriétés de transfert de matière de ces systèmes

    > Lire le projet : Microfluidique Supercritique : hydrodynamique et transfert de matière de systèmes diphasiques liquide/CO² supercritique en micro-écoulement

     

    Milieux Poreux et Colloïdes – ‘MiPoCo’

    Responsable du thème

    Le thème Milieux Poreux et Colloïdes s’intéresse aux problématiques de transport et d’interactions dans les matériaux poreux et les suspensions colloïdales. Les approches sont expérimentales avec :

    1. le développement de dispositifs spécifiques pour l’étude des processus aux échelles locales systèmes microfluidiques de filtration, cellules de séchage,
    2. l’utilisation d’outils de caractérisation propres aux échelles mésoscopiques  diffusion de rayonnement X, microscopie confocale, micro-tomographie à rayons X.

    Les approches sont également numériques, avec l’utilisation d’outils commerciaux ou développés en interne pour décrire et comprendre les phénomènes mis en jeu.

    Le thème se réunit 2 à 3 fois par an, généralement autour d’une présentation d’un invité extérieur et/ou d’interventions des chercheurs associés au thème. Ces réunions sont l’occasion de discuter des questions scientifiques qui parcourent le thème et de susciter des collaborations entre les laboratoires de la Fédération.

    Le thème envisage également d’organiser des ‘mini-séminaires’ annuels d’une journée dédiés à une question ou thématique particulière. Le 14 sept. 2017, le thème a ainsi organisé une journée de présentations et de discussions autour des problématiques de colmatage dans des dispositifs milli- et micro-fluidiques de filtration; domaine de recherche historiquement fort dans le thème ‘MiPoCo’. Les présentations données au cours de cette journée ‘Clogging’ sont accessibles ci-dessous :

    . Paul Duru (IMFT), Particle deposition and capture close to a pore’

    . Christine Lafforgue (TBI),  In Situ 3D analysis of the first steps of particle cake formation using CLSM’

    . Patrice Bacchin (LGC), ‘Microchannel clogging by colloidal and biological particles & Transfer of deformable bacteria through membranes’

    . Olivier Liot (LAAS/LGC/IMFT/NEMESIS), ‘Clogging of model pores with a Brownian suspension’(movie1, movie2, movie3)

    . Emilie Dressaire (NYU & FAST, Orsay), ‘Clogging of microfluidic systems, overview and perspectives’

    . Joris Sprakel (Physical Chemistry and Soft Matter, WUR), ‘A soft (matter) perspective on clogging’

    Les action en cours (jan. 2018)

    . Filtration de suspensions browniennes : formation et rhéologie des dépôts (description). Ce projet s’inscrit dans le cadre de la chaire d’attractivité NEMESIS portée par la fédération FERMaT (www.federation-fermat.fr/articles/interview-de-jeffrey-morris) à travers le financement du stage postdoctoral d’O. Liot au LAAS, encadré par P. Joseph (LAAS) et P. Bacchin (LGC) et également suivi par P. Duru (IMFT).

    . Structure, déformation et résistance à la compression d’empilements de microgels(dx.doi.org/10.1038/s41598-017-10788-y). Thèse d’I. Bouhid de Aguiar entre le LGC (M. Meireles) et le LISBP (A. Bouchoux), et en cotutelle avec Wageningen University (K. Schroen et J. Sprakel).

    . Caractérisation d’un dépôt de particules par microscopie confocale. Thèse NEMESIS d’A. Valencia Navarro au LISBP, encadrée par P. Schmitz (LISBP), C. Lafforgue (LISBP) et P. Duru (IMFT), et dans la continuité des travaux de thèse d’Ines Ben Hassan (cf actions passées).

    . Suivi in-situ de la déconstruction enzymatique de substrats lignocellulosiques naturels par tomographie-X et AFM. Projet dirigé par C. Montanier (LISBP) et mené en collaboration avec Y. Davit et P. Duru de l’IMFT. Le projet s’inscrit à la fois dans le thème ‘MiPoCo’ et le thème ‘Ingénierie du vivant’ de la fédération FERMaT.

    . Exploration in-situ des propriétés de transports dans les milieux poreux déformables par tomographie à rayons X. Post-doc financé par la fédération FERMaT pour 2017-2018 et encadré par P. Assémat (IMFT). Ce projet s’inscrit également – et majoritairement – dans le thème ‘Ingénierie du vivant’ de la fédération.

    Quelques actions passées

    . Séchage de suspensions colloïdales et structuration du dépôt résultant (description). M. Meireles (LGC), Y. Hallez (LGC), J.-P. Bonino (CIRIMAT), F. Ansart (CIRIMAT).

    . Etude par microscopie confocale de la formation et de la structuration d’un dépôt sur une membrane microsieve : suspensions bimodales de particules de latex et mélanges levures + bactéries. P. Schmitz (LISBP), C. Lafforgue (LISBP), et thèse d’Ines Ben Hassan au LISBP (doi.org/10.1016/j.memsci.2014.04.041, doi.org/10.1016/j.memsci.2013.12.003).

    . Hydrodynamique et forces de Van der Waals au voisinage d’un pore : description lagrangienne de la trajectoire d’une particule et de sa capture (description). Y. Hallez (LGC) et P. Duru (IMFT). (doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01298).

    . Dynamique de formation de dépôt en microcanaux : expériences en micro-séparateurs PDMS et simulations numériques de type Force Coupling Method. P. Bacchin (LGC) et E. Climent (IMFT). (doi.org/10.1016/j.seppur.2012.09.011, doi.org/10.1039/C4SM00869C).

    . Filtration de suspensions bactériennes : formations de panaches et transfert de bactéries par déformation. C. Causserand (LGC) et P. Bacchin. (doi.org/10.1080/08927014.2012.695351, doi.org/10.1016/j.memsci.2016.10.023).

    Laboratoires et chercheurs associés 

    . LGC : M. Abbas, M. Alliet, P. Bacchin, B. Biscans, C. Causserand, F. Chauvet, C. Coetsier, Y. Hallez, M. Meireles, J.-C. Rémigy, P. Roblin, K. Roger, S. Teychené

    . IMFT : P. Assemat, E. Climent, Y. Davit, P. Duru, S. Lorthois, M. Marcoux, F. Plouraboué, M. Prat

    . LISBP : A. Bouchoux, M. Castelain, C. Lafforgue, C. Montanier, P. Schmitz

    . CIRIMAT : F. Ansart

    . LAPLACE : K. Makasheva

    . LAAS : A.-M. Gué, P. Joseph, V. Mansard

    . IMRCP : B. Lonetti, J.-D. Marty, A.-F. Mingotaud, C. Mingotaud 

    . LMDC : A. Abou-Chakra Guery, S. Geoffroy

    . ICA : M. Rojas