Dielectric investigations of attograms and zeptograms of matter

230 Pages·2017·7.29 MB·English

by  Afef Houachtia

N d’ordre NNT : 2016LYSEI006

THESE de DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE LYON
préparée au sein de
l’INSA LYON

Ecole Doctorale N° 34
(Matériaux de Lyon)

Spécialité de doctorat : Matériaux
Discipline: (Matériaux)

Soutenue publiquement le 13/01/2016, par :
(Afef HOUACHTIA)

Dielectric investigations of attograms
and zeptograms of matter

Devant le jury composé de :

DUCHET, Jannick Professeur des Universités Université de Lyon UMR IMP Présidente de jury

IVANOV, Dimitri Directeur de recherche CNRS Université de Haute-Alsace Rapporteur
FELLER, Jean-François Professeur des Universités Université de Bretagne Sud Rapporteur
GONON, Laurent Professeur des Universités Université Joseph Fourier de Grenoble Examinateur

GERARD, Jean-François Professeur des Universités Université de Lyon UMR IMP Directeur de thèse
SERGHEI, Anatoli Chargé de recherche Université de Lyon UMR IMP Co-directeur de thèse
BOITEUX, Gisèle Directrice de recherche Université de Lyon UMR Invitée
SOTTA, Paul Directeur de recherche Université de Lyon UMR LPMA CNRS-Solvay Invité

Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2016LYSEI006/these.pdf
© [A. Houachtia], [2016], INSA Lyon, tous droits réservés
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Je dédie cette thèse
A mes chers parents Mohsen et Zohra
Aucun mot ne peut exprimer mon sentiment spécial de gratitude pour votre amour et
tendresse, vos encouragements et vos sacrifices.
Je vous aime beaucoup.
A mes frères Walid, Moufid et Mohamed-Ali.
A ma sœur Sana, son mari et leurs enfants.
Pour le soutien et les encouragements.
Je vous aime tous et je vous souhaite tout le bonheur et la prospérité.
Du fond du cœur Merci !!

Afef

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Remerciements

Ce travail de thèse a été réalisé au laboratoire d’ingénierie des matériaux polymères IMP
(UMR 5223) de l’Université Claude Bernard Lyon1_ IMP@Lyon1_ et de l’Institut National
des Sciences Appliquées INSA de Lyon_ IMP@INSA. C’est avec un grand plaisir que je
réserve ces quelques lignes pour exprimer mes sentiments de gratitude et reconnaissance à
tous ceux qui ont contribué à la préparation de cette mémoire de thèse, en espérant n’avoir
oublié personne.
Tout d’abord, je voudrais remercier Monsieur le Professeur Jean-François FELLER de
l’Université de Bretagne Sud et Monsieur le directeur de recherche Dimitri IVANOV de
l’Université Haute-Alsace, d’avoir accepté d’être les rapporteurs de cette thèse. Je leur
exprime toute ma gratitude pour l’intérêt qu’ils ont manifesté à l’égard de ce travail.
Je tiens à remercier Madame le Professeur Jannick DUCHET RUMEAU de l’Université de
Lyon et Monsieur le professeur Laurent GONON de l'Université Joseph Fourier de
Grenoble, d’avoir accepté de participer au jury de cette thèse en tant qu’examinateurs. Je
tiens aussi à remercier Monsieur le directeur de recherche de l’Université de Lyon Paul
SOTTA d’avoir accepté de participer au jury de thèse.
Maintenant, j’adresse un grand et spécial merci à mon directeur de thèse Monsieur le
Professeur Jean-François GERARD pour m'avoir guidé, encouragé, conseillé, et surtout
l’esprit détendu ainsi que la gentillesse et la bonne humeur, je vous remercie vivement !!
Sa compétence et sa rigueur scientifique m’ont beaucoup appris. J'aimerais également lui
dire à quel point j'ai apprécié la grande disponibilité, merci d’être toujours prêts à m'aider
malgré toutes les responsabilités. Je vous remercie pour faire avancer cette thèse dans les
meilleures conditions.
Je tiens à remercier vivement mon Co-directeur de thèse Docteur Anatoli SERGHEI pour la
confiance qu’il m’a témoigné, les responsabilités qui m’a accordées aussi pour m'avoir
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guidé, et surtout le goût de travail sérieux et bien fait, ainsi que pour ses multiples précis
et judicieux conseils, et pour toutes les heures qu'il a consacré à diriger ce travail de
recherche. Merci beaucoup Anatoli !!
J’adresse aussi mes sincères remerciements à Madame la directrice de recherche Gisèle
BOITEUX pour la bonne humeur et la gentillesse, pour les conseils et les aides ainsi que
pour tous les invites, les sorties et les bons moments qu’on a passé ensemble, j’ai été
extrêmement sensible à ses qualités humaines d'écoute et de compréhension.
Mes vifs remerciements vont également aux directeurs des laboratoires ‘’Ingénierie des
Matériaux Polymères’’ IMP@Lyon1 et IMP@INSA, Monsieur le Professeur Philippe
CASSAGNAU et Monsieur le professeur Etienne FLEURY pour m’avoir accueilli dans ses
laboratoires et pour m’avoir donné l’opportunité de réaliser ces travaux de thèse.
J’adresse mes sincères remerciements aussi à Monsieur le Professeur Gérard SEYTRE, pour
la bonne humeur.
Je remercie spécialement Laurent CAVETIER, Ali HADDANE, Flavien MELIS, Sylvie NOVAT-
TOMATIS, Sabine SAINTE-MARIE, Agnès CREPT, Isabelle POLO, Elena DELGADO, Nadia
YAKOUBI, Florian Doucet, Thierry THAMET, Pierre ALCOUFFE et Olivier GAIN pour les
aides, la bonne humeur, et les ouvertures d’esprit.
Je voudrais remercier également toute l’équipe du centre technologique des
microstructures de Lyon, spécialement Beatrice BURDIN.
Je remercie aussi mes collègues de bureau durant mes trois ans de thèse Mohammed,
Elodie, Imène, Mélanie, Marine, Yan et Quang Yi.
Aussi je tiens à remercier tous mes amis pour les nombreux bons moments passés
ensembles, Marwa, Nour, Jing, Hend, Florence, Fatima, Asma, Souhir, Rahma, Imen,
Kawther, Abdelwaheb, Imed, Mariem, Volodymyr, Bhanu, Rakhi, Danjun, Jing Ping,
Mamoudou…
Enfin je voudrais remercier tous les membres permanents et non permanents et les
stagiaires du laboratoire IMP.
Merci à tous!!
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Dielectric investigations on attograms and zeptograms of matter

Abstract

Dielectric investigations on attograms (1 attogram = 10 -18 gram) and zeptograms of
matter (1 zeptogram = 10 -21 gram) offer the possibility of exploring the transition between
nanoscience and molecule physics, opening the door for fundamental questions in soft-
matter physics, such as for instance “What is the minimum amount of matter necessary to
“define” the material properties?”. The electric and dielectric properties of materials at this
level are investigated by Broadband Dielectric Spectroscopy. This technique provides an
extraordinary broad frequency range, for measuring dielectric properties of matter,
covering more than 10 orders of magnitude, typically from 10-3 to 10+7Hz. It ensures a
precise characterization of large diversity of physical phenomena taking place at different
length and time scales such as: phase transitions, density fluctuations, molecular
fluctuations, charge transport processes, etc.
Measurements on the scale of attograms and zeptograms require sample cells
having all three dimensions on the nanometric length-scale. Based on the concept of
employing nanocontainers as experimental cells, a novel experimental development
allowing investigations on molecular dynamics and phase transitions of polymeric materials
down to the level of zeptograms is demonstrated in the present PhD study. This approach
enables one to crystallize tiny amounts of matter under high electric fields with the goal of
inducing a macroscopic coherence of molecular functionalities. This could give rise to new
material properties, not naturally available in the case of bulk materials.

Keywords: attograms, zeptograms, phase transitions, nanocontainers, polymers, ionic
liquids.

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Etudes diélectriques sur des attogrammes et zeptogrammes de matière
Résumé

Les recherches sur des attogrammes (1 attogramme = 10 -18 gramme) et
zeptogrammes (1 zeptogramme = 10-21 gramme) de matière offrent la possibilité de mettre
en évidence la transition entre la nanoscience et la physique des molécules, ouvrant la
porte à des questions fondamentales en physique de la matière molle, comme par exemple
‘’Quelle est la quantité minimale de matière nécessaire pour ‘‘définir’’ les propriétés des
matériaux ?’’. Les propriétés électriques et diélectriques des matériaux, à cette échelle,
sont étudiées par la spectroscopie diélectrique. Cette technique offre une large gamme de
fréquence, pour mesurer les propriétés diélectriques des matériaux, couvrant plus de 10
ordres de grandeur et allant de 10-3 à 10+7 Hz. Cette technique assure une caractérisation
précise d’une grande diversité des phénomènes physiques qui se déroulent à des échelles
de longueur et de temps différents, tels que: les transitions des phases, les fluctuations de
densité, les fluctuations moléculaires, le transport des charges, etc.

Les mesures à l’échelle des attogrammes et zeptogrammes nécessitent l’utilisation
des cellules ayant des dimensions nanométriques. Basé sur le concept d’utiliser des nano-
conteneurs comme des cellules expérimentales, un développement expérimental a été mis
en évidence, dans cette thèse, permettant d’étudier la dynamique moléculaire et les
transitions des phases des matériaux polymères, allant jusqu’au zeptogrammes de matière.
Cette approche permet de cristalliser des très petites quantités des matériaux sous
l’application d’un champ électrique élevé, dans le but d’induire une cohérence
macroscopique des fonctions moléculaires. Cela peut donner lieu à des nouvelles
propriétés des matériaux, qui n’existent pas dans le cas des matériaux en masse.

Mots clés: Attogrammes, zeptogrammes, transitions des phases, nano-réservoirs,
Polymères, liquides ioniques.
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