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Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP)

PhD - Conception bio-inspirée de nanotechnologies durables et à haut rendement pour la conversion de l’énergie lumineuse

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Nom du directeur de thèse : Fabienne Michelini

Tel : 04 13 94 53 17

E-Mail : : fabienne.michelini@univ-amu.fr

Laboratoire : IM2NP

Financement : demandé

Type de financement : contrat doctoral

Résumé en français :

Les performances exceptionnelles de certaines fonctions biologiques font des organismes vivants des systèmes extrêmement attractifs ayant ouvert la voie à la conception bio-inspirée de nouvelles générations de technologies ingénieuses, durables et efficaces, très attendues dans le contexte mondial de changement climatique.

Prenons le cas de la photosynthèse. Durant les premières étapes de cette fonction biologique, l’énergie des photons est récoltée par des antennes avant d’être transférée jusqu’aux centres réactionnels où les charges sont séparées et utilisées dans la chaîne des réactions chimiques permettant la vie sur terre [1].  Ces antennes et centres réactionnels sont des assemblages moléculaires de taille nanométrique qui forment des réseaux de transport pour les charges et l’énergie. L’efficacité de la conversion photon-charge est très proche de 100% dans ces réseaux. Cette efficacité est si haute que la fonction photosynthétique inclut également l’évacuation de l’énergie en excès en cas de forte intensité lumineuse [2].

A l’état de l’art, notre compréhension de ces processus naturels et de l’origine de cette efficacité, reste incomplète, en particulier sur la façon dont le système exploite simultanément ses propriétés dynamiques électroniques et structurelles pour récolter, transférer mais également dissiper l’énergie en coopérant avec son environnement. La plupart des travaux théoriques existant s’appuie sur des approches combinant des méthodes de dynamique moléculaire et des modèles cinétiques semi-classiques ou d’équations maîtresses dans le régime quantique, mais très peu s’attaquent aux propriétés de transport de l’énergie [3,4]. Pourtant les processus initiaux de la photosynthèse relèvent fondamentalement de phénomènes de transport ultra-rapides, de la centaine de femtosecondes à la centaine de picosecondes, ayant lieu à l’échelle nanométrique. Ces processus appartiennent donc au champ de la physique mésoscopique, et relèvent du transport quantique. Ce champ a déjà prouvé qu’il était parfaitement adapté à la modélisation et la simulation des nano-dispositifs. De fait, ce changement de point de vue doit contribuer à comprendre les performances exceptionnelles dans la photosynthèse, et ainsi à développer une conception bio-inspirée de nanotechnologies durables et à haut rendement pour la conversion de l’énergie lumineuse [5].

Le projet de thèse s’intègre dans cette dynamique de recherche avec pour objectifs de :

  • mettre en œuvre une méthodologie pour le vivant utilisant les outils du transport quantique basée sur le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre dépendant du temps [6,7],
  • comprendre les rôles joués par la cohérence quantique, le couplage à l’environnement, en particulier le bain formé par les vibrations, ainsi que l’impact de modifications temporelles de ces couplages.
  • transférer cette connaissance dans le domaine des nanotechnologies en imaginant des systèmes originaux de production de l’énergie à partir d’assemblages nanométriques de nature hybride, à base de nanostructures,  matériaux 2D, et molécules organiques.

Références

  1. Scholes, G. D.; Fleming, G. R.; Olaya-Castro, A.; van Grondelle, R. “Lessons from nature about solar light harvesting”, Nature Chemistry 2011, 763–774.
  2. Pinnola A.; Bassi R. “Molecular mecanisms involved in plant photoprotection”, Biochemical Society Transaction 2018, 46, 467-482.
  3. Zerah-Harush, E.; Dubi, Y. "Universal Origin for Environment-Assisted Quantum Transport in Exciton Transfer Networks”, The Journal of Physical chemistry Letters 2018, 9, 689– 169.
  4. Fassioli, F.; Olaya-Castro, A.; Scholes, G. D. “Coherent Energy Transfer under Incoherent Light Conditions”, The Journal of Physical Chemistry Letters 2012, 3, 3136–3142.
  5. Brédas, J.-L.; Sargent, E. H.; Scholes, G. D. "Photovoltaic concepts inspired by coherence effects in photosynthetic systems," Nature Materials 2017, 35–44.
  6. Beltako, K., Michelini, F., Cavassilas, N., and Raymond, L. “Dynamical photo-induced electronic properties of molecular junctions,” J. Chem. Phys. 148(10), 104301 (2018).
  7. Michelini, F. and Beltako, K. “Asymmetry induces long-lasting energy current transients inside molecular loop circuits,” Physical Review B 100(2), 024308 (2019).

Profil du candidat recherché :

Le candidat recherché devra posséder un profil de physicien de la matière condensée inorganique ou organique, ou de biophysicien, avec un savoir-faire numérique et ayant bénéficié d’une formation en mécanique ou chimie quantique.

Insertion professionnelle après thèse : R&D, secteur académique

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Détails de l'offre

Titre
PhD - Conception bio-inspirée de nanotechnologies durables et à haut rendement pour la conversion de l’énergie lumineuse
Localisation
Faculté des Sciences de Saint Jérôme - Case 142, Avenue Escadrille Normandie Niemen, F-13397 Marseille Cedex 20, France
Publié
2021-01-21
Type de poste
PhD
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