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Projet COMPACT
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TT1 : Interfaces, surfaces et changements d’échelles dans les matériaux nano-structurés

 

Couplages multi physiques et changements d'échelle dans les nanostructures et matériaux nanostructurés pour les systèmes de capteurs et de récupération d'énergie

 

Depuis plusieurs années, des expérimentations ont mis en évidence des effets non classiques comme des augmentations significatives des propriétés, entre autres mécaniques et électriques, dans les nanostructures de très faibles dimensions, de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Bien qu'un très grand nombre de questions restent en suspens, les mécanismes associés à ces effets commencent à être compris dans des cas simples, comme étant notamment liés à des énergies supplémentaires engendrées par les atomes de surface, possédant un environnement différent de celui des atomes de volume. Récemment, les équipes CT et MECA ont notamment proposé des modèles multi échelle de nanofils piézoélectriques capables de capturer des effets de taille [5]. De nouvelles applications telles que des systèmes nanométriques de génération d'énergie, de capteurs d'efforts de résolutions inégalées ou de détection de molécules à base de nanofils ou de films minces imposent de nouveaux défis, liés aux couplages multiphysiques plus complexes, notamment mécaniques, électriques et chimiques, ainsi qu'à la présence d'un environnement gazeux ou polymère pouvant interagir avec les nanostructures.

 

 

Ce projet a pour ambition de développer de nouveaux outils de modélisation et de simulation pour étudier de tels systèmes, en combinant les compétences reconnues des équipes MECA en modélisation (déterministe et stochastique) des matériaux complexes et des interfaces par des approches de type milieux continus, et celles del'équipe CT en chimie théorique, notamment en calculs ab initio sur des systèmes moléculaires de petites tailles et sur des surfaces, en collaboration avec des équipes expérimentales possédant des expertises dans le domaine des mesures liées aux nanosystèmes.

 

Les différents objectifs de ce projet incluent:

 

 

  • L'amélioration de la compréhension des phénomènes conduisant à des modifications significatives des propriétés dans les nanostructures et nanocomposites, par des approches combinant mécanique des milieux continus, calculs atomiques (ab initio et dynamique moléculaire), approches déterministes et stochastiques
  • La modélisation des coupages chemo-électro-mécaniques aux très petites échelles
  • La construction d'outils théoriques et numériques de passage entre échelle atomistique et continu (construction de modèles d'interfaces/surfaces, méthodes d'homogénéisation enrichies, approches non locales...)

 

Références 

[1] M.T. Hoang, J. Yvonnet, A. Mitrushchenkov, G. Chambaud, H.L. Duan, Size-dependent mechanical properties of axial and radial mixed AlN/GaN nanostructures, Nanotechnology, 26:115703, 2015. 

 

[2] J. Guilleminot, C. Soize, Itô SDE-based generator for a class of non-Gaussian vector-valued random fields in uncertainty quantification. SIAM Journal on Scientific Computing, Society for Industrial and Applied Mathematics, Methods and Algorithms for Scientific Computing, 36 (6), 2015. 

 

[3] Y. Cong, J. Yvonnet, H. Zahrouni, Simulation of instabilities in thin nanostructures by a perturbation approach, Computational Mechanics, 53(4):739-750, 2014. 

 

[4] J. Guilleminot, T. T. Le, C. Soize, Stochastic framework for modeling the linear apparent behavior of complex materials: application to random porous materials with interphases. Acta Mechanica Sinica, Springer Verlag (Germany), 29 (6), 2013. 

 

[5] M.-T. Hoang, J. Yvonnet, A.O. Mitrushchenkov, G. Chambaud, First-principles based multiscale model of piezoelectric nanowires with surface effects, Journal of Applied Physics, 113:014309, 2013. 

 

[6] J. Yvonnet, A.O. Mitrushchenkov, G. Chambaud, Q.-C. He, S.-T. Gu, Characterization of surface and nonlinear elasticity in wurtzite ZnO nanowires, Journal of Applied Physics, 111 - 124305, 2012. 

 

[7] J. Yvonnet, A.O. Mitrushchenkov, G. Chambaud, Q.-C. He, Finite element model of ionic nanowires with size-dependent mechanical properties determined by ab initio calculations, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 200 (5-8):614-625, 2011. 

 

[8] A.O. Mitrushchenkov, G. Chambaud, J. Yvonnet, Q.-C. He, Towards an elastic model of wurtzite AlN model, Nanotechnology, 21(25):255702, 2010.