Les thèses en cours au LIED

Titre :

Contrôle du cycle de reproduction asexué de Penicillium camemberti : del’échelle laboratoire à l’échelle industrielle

Dir. thèse : Philippe Silar, Valérie Gautier

Résumé :

The white mold *Penicillium camemberti* is used in the ripening of soft cheeses such as Camembert or Brie. To be sold as a ferment, its spores are produced on an industrial scale using the asexual reproduction cycle, which can develop in two forms: a vegetative one called mycelium, or dormant asexual spores called conidia. The last bioprocess used by industry today is submerged fermentation in stirred bioreactors, which enables easy control of culture parameters to influence factors impacting the cell cycle. However, the main difficulty with this liquid fermentation process is controlling the morphological phenotype of the mycelium during bioreactor growth. Using a laboratory model, the link between morphology and conidiation was clearly demonstrated, and several critical parameters influencing this cycle were identified. Four different and reproducible nutrient conditions were therefore set up to obtain different growths and conidiation levels, and total RNA was extracted for sequencing and gene expression studies.

Titre :

Modeling photonastic materials: from the molecular to the supramolecular scale

Dir. thèse : Aurélie Perrier

Résumé :

Les matériaux photonastiques convertissent la lumière en énergie mécanique, imitant la façon dont certaines fleurs et plantes répondent à un stimulus lumineux. Ce travail se concentre sur les photoactionneurs à base de polymères avec des applications potentielles en microfluidique, biomédecine, robotique douce et moteurs pilotés par la lumière. Notre but est d’utiliser les approches de chimie « computationnelle » afin de comprendre et optimiser les propriétés de ces matériaux. Ainsi, dans le cadre d’une étude de simulation multi-échelle, nous étudions une couche mince de polymère contenant des molécules photoactives, en particulier des photochromes. Notre modèle repose sur des molécules dérivées de l’azobenzène (AZ), intégrées dans une matrice de polybutadiène (PB), que nous étudions par des simulations de dynamique moléculaire (MD).

Notre objectif initial est d’examiner l’influence mutuelle entre l’AZ et la matrice polymère. Pour cela, nous avons développé une stratégie de simulation qui couple la réaction photochimique avec la relaxation intramoléculaire des chaînes de polymère. Pour ce faire, la photoréaction est simulée en changeant de surfaces d’énergie potentielle depuis l’état fondamental vers l’état excité de l’AZ, ce qui permet au polymère de se réarranger dynamiquement en réponse à la réaction induite par la lumière.

En outre, pour déterminer l’impact de la photoréaction sur la matrice, on analyse plusieurs paramètres, notamment les variations de pression autour de l’AZ, les déplacements atomiques et les relations géométriques entre les atomes d’AZ et de PB afin de comprendre leurs interactions locales. Pour mieux comprendre les impacts de la matrice sur la photoréaction et de la photoréaction sur la matrice, le modèle est appliqué aux systèmes avec des interactions AZ-PB d’intensités variables – forces de Van der Waals, liaisons hydrogène et liaisons covalentes.

Enfin, les propriétés macroscopiques, telles que la variation de densité due à la photo-isomérisation et le module viscoélastique, sont étudiées par la modélisation de systèmes multiphotochromes. Ces études permettent de comprendre comment le comportement collectif des molécules photoactives et le rapport PB/polymère influencent la réponse mécanique du matériau.

Titre :
Décloisonner l’approche des plantes avec une démarche multi-scalaire de la sensibilité : de la
cellule à la perception des chercheurs.

Résumé :
Malgré une effervescence des découvertes biologiques autour de la sensibilité des végétaux au
XIXe siècle, le sujet a été quasiment absent des publications pendant le XXe siècle jusqu’au
début du XXIe et il offre aujourd’hui un terrain de controverse (Baluška et al., 2004 ; Brenner
et al., 2006 ; Stahlberg, 2006 ; Alpi et al., 2007 ; Taiz et al., 2019). Afin de synthétiser les
connaissances qui sont disponibles de manière éparse dans la littérature scientifique
concernant la sensibilité des plantes, nous conduirons une analyse bibliographique en
mobilisant plusieurs champs disciplinaires et notamment la biologie, la philosophie, la
géographie et la sociologie. Comprendre quels sont les sujets qui ont amenés ces
questionnements permettrai de commencer à faire émerger les différentes définitions des
termes associés à la sensibilité des plantes comme éveil, conscience, sensibilités définies par
rapport à des capacités humaines (auditives, olfactives, touchés, …). Retrouver les moments
charnières au cours de l’histoire de la pensée scientifique autour de la sensibilité des végétaux
est également nécessaire afin de comprendre les outils qui ont participé à la transformation de
l’appréhension de la plante, les individus pionniers sur la question ainsi que les disciplines
motrices. Afin d’explorer les différentes perceptions de la sensibilité des plantes, il est
nécessaire tout d’abord d’identifier les approches construites par les sciences humaines, les
sciences biologiques et la médecine. Cette question est abordée par deux entrées : l’une sur
l’altération de la sensibilité des plantes par les anesthésiques, l’autre, en étudiant comment les
scientifiques perçoivent la sensibilité des plantes.

Titre :

Revêtements urbains frais pour l’adaptation de Paris aux canicules

Dir. thèse : Laurent Royon, Martin Hendel

Résumé :

Face aux enjeux d’adaptation au changement climatique et en particulier aux canicules, les revêtements d’espace public frais ont un rôle important à jouer pour améliorer le stress thermique des piétons parisiens. L’objectif principal de la thèse sera d’étudier leur comportement thermique de nouveaux revêtements urbain lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations dynamiques de type caniculaire et d’évaluer leur impact microclimatique local. Deux dispositifs expérimentaux sont utilisés : une forêt urbaine à la petite ceinture du 20e arrondissement de Paris, et un démonstrateur de revêtements climatiques de trottoir d’autre part, situé à Bonneuil-sur-Marne et primé aux Trophées Paris Innove 2021. La thèse est proposée en collaboration avec le Laboratoire d’Essais des Matériaux (LEM) de la Direction de la Voirie et des Déplacements (DVD) et la Direction de la Transition Écologique et du Climat (DTEC) département Adaptation au Changement Climatique.

Titre :

Analyse systémique du recyclage des métaux stratégiques dans les pays nordiques

Dir. thèse : José Halloy, Sabina Issehnane

Résumé :

Cette thèse analyse les défis du recyclage des métaux stratégiques en prenant pour cas d’étude les pays nordiques (Norvège, Suède, Finlande). Elle s’appuie sur une approche interdisciplinaire pour explorer les liens complexes entre les problématiques énergétiques et matérielles. Ce « couplage énergie-matière » soulève des enjeux écologiques et géostratégiques majeurs dans le cadre de la transition énergétique et numérique, notamment en raison des besoins croissants en métaux indispensables à la production des nouvelles technologies (cuivre, aluminium, nickel, lithium, lanthanides, etc.). Face à cette accélération de la demande, de nombreux États déploient des stratégies pour sécuriser les approvisionnements en matériaux considérés « critiques » et misent sur le recyclage. Toutefois, les espoirs politiques associés au recyclage se heurtent à des contraintes multiples, relevant de disciplines différentes : la résolution d’un défi technique (chimie séparative, physique, sciences industrielles), l’encadrement juridique et réglementaire du recyclage (droit, sciences politiques), ou encore la quantification des potentiels socio-économiques du recyclage (économie, sociologie, management). La difficulté de l’enquête réside dans l’élaboration, à l’échelle d’un État, d’une vision transversale portant sur le système de recyclage dans son ensemble. De nouvelles filières de recyclage des métaux sont en train d’émerger dans les pays nordiques avec des succès contrastés. Ces initiatives mettent en lumière un certain nombre de problématiques structurelles au niveau européen, à l’interface entre les défis de soutenabilité et les enjeux géostratégiques. L’objectif de ces travaux de thèse (dotée d’un financement public dans le cadre du PEPR Métaux Stratégiques) est de proposer une vision systémique et stratégique pour le recyclage des métaux dans un contexte européen, à partir du cas nordique.

Titre :

Approche interdisciplinaire et modélisation systémique des flux de matériaux et d’énergie dans le recyclage des métaux stratégiques

Dir. thèse : José Halloy

Résumé :

Cette thèse explore les dynamiques de déploiement et de renouvellement des infrastructures de production d’énergie renouvelable, avec un focus particulier sur le photovoltaïque. En s’appuyant sur des scénarios de transition énergétique suivis d’une phase de maintenance du nouveau système énergétique, elle examine les interactions entre les phases de croissance et de renouvellement. L’analyse porte sur les besoins en production industrielle, en matériaux, en énergie ainsi qu’en puissance, afin d’anticiper les défis à long terme. Ces travaux mettent en évidence un aspect souvent négligé dans les scénarios de transition : l’éventualité d’un régime de maintenance post-2050 où le recyclage jouera un rôle central, et où la soutenabilité du système énergétique post-transition soulève des questions majeures.

Titre :

Biomécanique des cellules tumorales circulantes en microfluidique

Dir. thèse : Catherine Villard, Jean-Yves Pierga

Résumé :

L’interrogation centrale de la recherche sur le cancer porte sur les mécanismes qui sous-tendent la progression des tumeurs par dissémination dans la circulation sanguine. La dissémination des cellules tumorales circulantes (CTC) est une étape clé, à laquelle s’ajoute la préparation de la niche pré-métastatique à distance de la tumeur primaire. Cette étude aborde cette question centrale en se concentrant sur la bioproduction de vésicules extracellulaires (EVs) induite par une méthode de stimulation hydrodynamique inexplorée. Cette nouvelle approche s’inspire des contraintes rencontrées par les cellules tumorales circulant dans le sang, notamment au sein de microcapillaires reproduits ici par des techniques microfluidiques.Cette recherche vise à élucider l’interaction complexe entre les forces de cisaillement mécaniques et les déformations cellulaires rapides. On suppose que ces stimuli mécaniques dynamiques jouent un rôle crucial dans le déclenchement de la production d’EVs. Cette recherche s’inscrit dans l’objectif plus large de faire progresser notre compréhension des aspects physiques qui régissent la progression du cancer, en offrant de nouvelles perspectives pour de futures interventions thérapeutiques. En effet ces EVs sont aujourd’hui au centre d’une intense recherche car impliquées dans de nombreux mécanismes biologiques de régulation inflammatoire, de communication entre cellules et comme éventuel biomarqueur. Les résultats de cette étude pourraient avoir des implications pour le développement de stratégies thérapeutiques ciblées visant à perturber les mécanismes par lesquels les cellules tumorales exploitent les signaux hydrodynamiques pour la production de VE et les métastases qui s’ensuivent.

Titre :

Modélisation Énergétique du Système Agricole sous Contraintes pour Penser la Transition

Dir. thèse : Petros Chatzimpiros

Résumé :

L’objectif est de modéliser les systèmes agricoles à différentes échelles (régionale, nationale, mondiale) afin d’estimer leur capacité de production alimentaire et non alimentaire, ainsi que leur consommation d’intrants, sur la base des principales variables qui contrôlent la transformation des flux et donc le bilan entre entrées et sorties.

Le système de modélisation s’attachera à identifier les barrières physiques bridant la production agricole, afin d’identifier des points de fonctionnement optimaux en fonction des contraintes sur le système. L’objectif est ensuite d’esquisser des trajectoires sociotechniques permettant de guider l’agriculture vers ces points de fonctionnement.

Dans ce cadre, les différents scénarios permettront, à chaque échelle, d’articuler la capacité de production des systèmes étudiés avec les besoins en nourriture et en bioénergie des marchés dans lesquels ils s’inscrivent. Chaque scénario sera caractérisé par un bilan d’énergie, un bilan de nutriments, des impacts environnementaux qui en résultent, et d’une analyse de la structure interne des systèmes de production.

Les résultats permettront d’identifier les limites de production des systèmes et les trajectoires à suivre pour une agriculture sous contrainte de ressource énergétique. L’identification des synergies et de conflits d’usages des ressources entre production alimentaire et énergétique – y compris via l’agrivoltaïsme et la génération de biogaz – permettra de faire émerger de nouvelles solutions organisationnelles pour l’agriculture dans le cadre de la transition énergétique

Titre :

Study of the effect of low-frequency vibration-induced acoustic streaming on the freezing process of water droplets

Dir. thèse :

Résumé :

How to retard the freezing of water droplets or maintain the steady state of supercooled water is a pre-requisite basic research to solve the freezing problem of gas turbine inlet components. Compared with other additive physical fields, acoustic streaming has been proved to have a broad application prospect in the field of microfluidic control due to its unique advantages such as precise operation, low power consumption, and so on. In this thesis, the acoustic streaming method is introduced into the freezing problem of supercooled water, and the acoustic streaming is induced inside the water droplets by the method of applied low-frequency vibration to investigate its effect on the freezing process. The main contents are as follows:
(1) The physical model of a suspended water drop under low-frequency vibration conditions is established. The first-order vibration state of the water droplet is elucidated based on the hydrodynamic theory caused by deformation. And the change rule of water drop shape is explained from the perspective of surface tension. The discussion and establishment of the physical model of a suspended water drop under low-frequency vibration conditions are carried out. Starting from the force problem of water droplets on a vibrating vertical flat plate, the physical model of suspended water droplets suitable for the description of this thesis is gradually deduced.
(2) The generation mechanism of acoustic streaming inside a water droplet is elucidated. The reasons for the generation of the acoustic streaming field inside a water droplet are analyzed in detail, and the effect of the first-order vibration condition of the droplet on the distribution of the internal acoustic streaming field is explained. The effect of sharp edges on the acoustic streaming field is also discussed. On the basis of the theoretical derivation, the acoustic streaming field distribution inside a two-dimensional water droplet is calculated using the COMSOL finite element simulation software, and a comparison between the simulation results and the experimental results is carried out.
(3) The mechanism of acoustic streaming in delaying the freezing of water droplets has been elucidated. The influence of acoustic streaming on the freezing process of water droplets was analyzed in detail. the variation curves of the droplet center temperature under different droplet initial temperatures, ambient temperatures and droplet sizes are given by COMSOL finite element simulation software. Transmission images of the droplet freezing process were obtained by laser irradiation, and the general internal conditions of the droplet at different freezing stages, especially the size and location of the crystals inside the droplet, were obtained.

Titre :

Mesures mobiles du stress thermique d’habitants du Grand Paris: liens entre chaleurs extrêmes, milieu urbain et santé

Dir. thèse :

Résumé :

Les îlots de chaleur urbains, combinés à des vagues de chaleur, peuvent poser des problèmes sanitaires majeurs, notamment des risques de surmortalité suite à un stress thermique cumulé excessif des habitants. Le projet ANR « Vagues de chaleur, îlots de chaleur urbains, et bien-être et santé : une approche par capteurs embarqués » (H3Sensing) associe épidémiologie, urbanisme et microclimatologie pour caractériser le profil d’exposition au stress thermique d’habitants du Grand Paris et leurs réponses physiologiques. Ainsi, des dispositifs de mesure portatifs et fixes ont été conçus pour mesurer des paramètres microclimatiques visant à caractériser le stress thermique tout au long de la journée. Des mesures dans l’habitat seront aussi réalisées par un dispositif fixe prototypé, en plus de mesures de paramètres physiologiques et des questionnaires à partir d’une étude de science participative.

Thèse réalisée par : Aurore Girier-Timsit

Titre : Etude de l’effet rafraîchissant des végétaux pour limiter les îlots de chaleur urbains

Ecole doctorale : Physique en Île-de-France – 564

Directeur de thèse : Laurent Royon, Professeur des Universités HDR

Co-encadrant : Martin Hendel

Co-encadrante : Delphine Bonnin

Résumé :

Les principaux mécanismes responsables de l’effet d’îlot de chaleur urbain (ICU) ont été étudiés en détail et
peuvent être résumés comme suit : piégeage radiatif et stockage de chaleur sensible, absence d’évapotranspiration,
obstruction du vent et dégagement de chaleur anthropique dans les villes .
L’effet d’ICU provoque des températures de l’air dans les villes plus élevées en moyenne de 1 à 3°C que les
températures de l’air dans les zones rurales environnantes . La différence de température entre les villes et
les campagnes qui en résulte, appelée intensité de l’îlot de chaleur urbain, varie en fonction des conditions
météorologiques et s’aggrave considérablement lorsque le ciel est dégagé et que le temps est calme, comme c’est
généralement le cas pendant les vagues de chaleur. Par conséquent, l’ICU renforce dangereusement les
effets des vagues de chaleur sur la santé, augmentant ainsi considérablement la vulnérabilité des villes à ces
événements , même si peu d’études ont examiné de près les liens spécifiques entre l’exposition personnelle
à la chaleur et les décès liés à la chaleur .
Compte tenu de l’augmentation inéluctable de la fréquence et de l’intensité des vagues de chaleur due au changement
climatique , les villes du monde entier ont commencé à inclure des mesures visant à contrer l’effet
ICU dans leurs stratégies d’adaptation au changement climatique. Ces mesures comprennent une variété de
techniques, allant des matériaux dits « froids » , déployés dans les rues de Los Angeles par exemple,
à la verdure urbaine.
La végétalisation urbaine est souvent recommandée pour favoriser l’ombrage des piétons et le refroidissement
latent dû à l’évapotranspiration des plantes. L’ombrage est fourni indépendamment de l’état physiologique de
la végétation tant que la chute des feuilles n’est pas induite. Les dispositifs d’ombrage offrent des performances
similaires à cet égard. Cependant, le refroidissement par évapotranspiration n’est présent que dans les plantes
ou les tissus arrosés et dépend fortement de l’état physiologique de la végétation plantée, qui est affecté par
les contraintes environnementales urbaines . En outre, les acteurs urbains et les décideurs présentent
souvent de manière erronée ce mécanisme de refroidissement, souvent considéré comme équivalent à
la brumisation, c’est-à-dire à l’évaporation de gouttelettes d’eau pulvérisées dans l’air.
Pour apporter un éclairage scientifique, nous proposons un sujet de doctorat combinant des analyses physiques
et biologiques de la performance de refroidissement des dispositifs d’ombrage artificiels et de la végétation soumis
à une sélection de stress environnementaux (eau, chaleur, pollution, etc.) en laboratoire et sur le terrain.
Le doctorat vise à caractériser les processus physiques et biologiques fondamentaux qui sous-tendent les effets
de refroidissement de la végétation urbaine et des dispositifs d’ombrage artificiels, dans le but d’isoler les
paramètres biologiques et physiques clés qui déterminent leur performance en matière de refroidissement.

Titre :

Etude des performances d’interfaces conductrices pour le développement de revêtements routiers dégivrants

Résumé :

Lors d’épisodes de neige ou verglas, l’immobilisation d’une zone routière entraine la paralysie de l’ensemble du réseau, provoquant des répercussions sur les activités économiques. Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de développement de routes dégivrantes (projet ICCAR financé par l’ADEME) qui  propose comme solution de développer une peinture chauffante, inséré dans le complexe routier en vue de créer des routes chauffantes, à la fois faciles à mettre en œuvre et plus facile à entretenir. La technologie de peintures conductrices et chauffantes, développée avec les 2 sociétés partenaires du projet, est proposée pour élaborer des émulsions de bitumes chauffant. L’effet Joule produit par ce type de peintures induit une montée en température de la couche de roulement, qui permet l’hiver de dégivrer ou anticiper les phénomènes de givre sur des routes. La recherche menée dans le cadre des travaux de la thèse portera sur :

• L’optimisation de la formulation de peintures chauffantes et leur intégration dans des émulsions de bitumes
• La caractérisation physico-chimique et des propriétés physiques des complexes routiers dans lesquelles sont insérés des peintures.
• L’étude des transferts de chaleur en régime stationnaire et instationnaire pour différentes sollicitations et différentes situations d’ambiance extérieure sur des échantillons de complexes d’épaisseurs différentes. Cette étude sera abordée à travers une approche expérimentale en laboratoire et par la voie de la simulation numérique.

Enfin, un prototype échelle ½, réalisé à Corbas (69) avec peinture chauffante et conductrice, de  75 m², permettra de tester en situation réel les performances d’un complexe routier.