Quelques études de physique en matière molle et granulaire ......Physique des polymères Focus sur...
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Joachim P. WittmerInstitut Charles Sadron & CNRS (UPR 22)
23 rue du Loess, 67037 Strasbourg, France
Quelques études de physiqueen matière molle et granulaireet sur les solides amorphes
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SommaireQuelques études de physique en matière . . .
Étapes scientifiques
Axes de recherchesMatière granulaire : Est-elle fragile ?Matière amorphe : Réponse linéaire inhomogèneMatière molle : Physique des polymères “morts" et “vivants"
Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblésANR SP-BRUSH : Brosses polymères cisaillées
Conclusion
AnnexeMéthodes de simulationQuelques papiers importantsEncadrement : stagiaires, thésards et post-docsOrganisation des ateliers de travail et des confèrences
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Étapes scientifiques1990 K. Binder , DEA, Mayence
• Simulation des polymères semi-flexibles
1992 J.-F. Joanny , Thèse de Physique , ICS, Strasbourg• Polyélectrolytes & polyampholytes• Dynamique d’adsorption/lavage des brosses
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Étapes scientifiques1990 K. Binder , DEA, Mayence
• Simulation des polymères semi-flexibles
1992 J.-F. Joanny , Thèse de Physique , ICS, Strasbourg• Polyélectrolytes & polyampholytes• Dynamique d’adsorption/lavage des brosses
1994 M. E. Cates , Post-Doc , Cambridge & Edimbourg• Matière granulaire : distribution des constraintes• Polymères vivants et en anneau
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Étapes scientifiques1990 K. Binder , DEA, Mayence
• Simulation des polymères semi-flexibles
1992 J.-F. Joanny , Thèse de Physique , ICS, Strasbourg• Polyélectrolytes & polyampholytes• Dynamique d’adsorption/lavage des brosses
1994 M. E. Cates , Post-Doc , Cambridge & Edimbourg• Matière granulaire : distribution des constraintes• Polymères vivants et en anneau
1998 J.-L. Barrat , Poste CNRS (CR1) , LPMCN, Lyon• Polymères renforçés (Thèse : Mattioni)• Mécaniques des solides amorphes (Thèse : Léonforte)
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Étapes scientifiques1990 K. Binder , DEA, Mayence
• Simulation des polymères semi-flexibles
1992 J.-F. Joanny , Thèse de Physique , ICS, Strasbourg• Polyélectrolytes & polyampholytes• Dynamique d’adsorption/lavage des brosses
1994 M. E. Cates , Post-Doc , Cambridge & Edimbourg• Matière granulaire : distribution des constraintes• Polymères vivants et en anneau
1998 J.-L. Barrat , Poste CNRS (CR1) , LPMCN, Lyon• Polymères renforçés (Thèse : Mattioni)• Mécaniques des solides amorphes (Thèse : Léonforte)
2002 Habilitation , Université Claude Bernard, Lyon
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Étapes scientifiques1990 K. Binder , DEA, Mayence
• Simulation des polymères semi-flexibles
1992 J.-F. Joanny , Thèse de Physique , ICS, Strasbourg• Polyélectrolytes & polyampholytes• Dynamique d’adsorption/lavage des brosses
1994 M. E. Cates , Post-Doc , Cambridge & Edimbourg• Matière granulaire : distribution des constraintes• Polymères vivants et en anneau
1998 J.-L. Barrat , Poste CNRS (CR1) , LPMCN, Lyon• Polymères renforçés (Thèse : Mattioni)• Mécaniques des solides amorphes (Thèse : Léonforte)
2002 Habilitation , Université Claude Bernard, Lyon
2003 J. Baschnagel , retour à l’ICS, Strasbourg• Dynamique des polymères vivants (Thèse : Crevel)• Polymères à l’état fondu (Post-Doc : Kreer, Cavallo)
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Matière granulaireCollab. avec M. E. Cates, J.-P. Bouchaud, P. Claudin, E. Clement, L. Vanel
Tas de sable [Nature 1996] Matière fragile [PRL 1998] Silo [PRL 2000]
Éléments clés de notre approche :• Effet mémoire : Anisotropie des contacts, chaînes de forces• Liquide solidifié sous contrainte (contraintes gélées)• Fragilité contre perturbations (température, humidité, . . . )
• Suggestions des tests expérimentaux nouveaux
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Solides amorphesCollab. avec J.-L. Barrat, A. Tanguy, F. Léonforte
Billes LJ à T → 0• Strain homogène et sollicitation ponctuelle• Vibrations, modes propres, densités d’états
Résultats clés : Existence d’une longueur ξ ≈ 20• Champ non-affine et automoyennage de la réponse• Levée de dégénérescence des modes propres pour λ < ξ• Densité d’états : Fréquence du “Pic de boson" cson/ξ• Résultats similaires pour verres “fragile"[EPL 2002] et “forts"[PRL 2006]
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume , surfaces , couches minces• solution , fondu, état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD)
Polyampholytes [EPL 1993]
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume , surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD)
Contraintestopologiques [EPL 2000]
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution , fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD) [EPL 1998,2001]
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution , fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD)
Stage : Y. Cesbron
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD)
A.N. Semenov :Reptation activée ? !
[EPJ E 2003]
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo• Reptation activée : A.N. Semenov, L. Mattioni , T. Kreer , . . .
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure , dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD) [PRL 2004]
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo• Reptation activée : A.N. Semenov, L. Mattioni , T. Kreer , . . .• Corrélations dans la phase fondue : ETSP ICS[PRL 2004, EPL 2007]
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Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure , dynamique à l’équilibre
Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD) [EPL 2007]
Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo• Reptation activée : A.N. Semenov, L. Mattioni , T. Kreer , . . .• Corrélations dans la phase fondue : ETSP ICS[PRL 2004, EPL 2007]
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Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblés
Strasbourg : A. Cavallo (ANR + CNRS), I. Nyrkova (CDD), . . .Montpellier : C. Ligoure, L. Ramos, G. Porte, W. Kob, . . .
I Strasbourg :Polymères télécheliques (PT)
I Montpellier :Microemulsion + PT
I Strasbourg :Polymères Vivants (PV) + PT
Objectifs :
1. Diagrammes de phase
2. Rhéologie linéaire
3. Réponse non-linéaire : fluide ductile ⇔ fragile
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Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblés
Strasbourg : A. Cavallo (ANR + CNRS), I. Nyrkova (CDD), . . .Montpellier : C. Ligoure, L. Ramos, G. Porte, W. Kob, . . .
I Strasbourg :Polymères télécheliques (PT)
I Montpellier :Microemulsion + PT
I Strasbourg :Polymères Vivants (PV) + PT
Objectifs :
1. Diagrammes de phase
2. Rhéologie linéaire
3. Réponse non-linéaire : fluide ductile ⇔ fragile
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Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblés
Strasbourg : A. Cavallo (ANR + CNRS), I. Nyrkova (CDD), . . .Montpellier : C. Ligoure, L. Ramos, G. Porte, W. Kob, . . .
I Strasbourg :Polymères télécheliques (PT)
I Montpellier :Microemulsion + PT
I Strasbourg :Polymères Vivants (PV) + PT
Objectifs :
1. Diagrammes de phase
2. Rhéologie linéaire
3. Réponse non-linéaire : fluide ductile ⇔ fragile
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Perspectives de recherche à l’ICSANR SP-BRUSH : Brosses polymères cisaillées
Collab. : T. Kreer (Habilitation), A. Galuschko (Thèse),J. Baschnagel, K. Binder (Mainz),C. Pastorino (Buenos Aires), J. Klein (Tel Aviv)
I Question :Comment minimiser la friction ?
I Solution de la nature : brossesdans les joints synoviaux
I Notre approche : brossespolyélectolytes avec solvant etcontre-ions
I Premières études sur brossesneutres sans solvant effectuées
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Conclusion• Études de physique en matière condensée? Matière granulaire : silo, tas de sable, jamming, fragilité? Solides amorphes : vibrations et réponse mécanique? Matière molle : polymères “morts" et “vivants"
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Conclusion• Études de physique en matière condensée? Matière granulaire : silo, tas de sable, jamming, fragilité? Solides amorphes : vibrations et réponse mécanique? Matière molle : polymères “morts" et “vivants"
⇒ ≈ 50 papiers : 1 Nature, 4 PRL, 7 EPL, . . .
• Organisation de la science? Encadrement : 4 stages, 3 thèses, 2 post-docs? 4 workshops (2 Lyon, 2 Strasbourg) et 1 confèrence? Séminaires (équipe, non-permanents), Conseil de Labo, . . .? ANR TSANET, ANR SP-BRUSH, STIPOMAT (S. Ivanov ), . . .
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Conclusion• Études de physique en matière condensée? Matière granulaire : silo, tas de sable, jamming, fragilité? Solides amorphes : vibrations et réponse mécanique? Matière molle : polymères “morts" et “vivants"
• Perspectives de recherche à l’ICS? Polymères denses : corrélations à longue portée? Polymères auto-associés : PV, PT, réseaux transitoires? Brosses cisaillées : comment minimiser la friction
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Conclusion• Études de physique en matière condensée? Matière granulaire : silo, tas de sable, jamming, fragilité? Solides amorphes : vibrations et réponse mécanique? Matière molle : polymères “morts" et “vivants"
• Perspectives de recherche à l’ICS? Polymères denses : corrélations à longue portée? Polymères auto-associés : PV, PT, réseaux transitoires? Brosses cisaillées : comment minimiser la friction
• Dans l’avenir vers? systèmes (semi-)dilués (hétéropolymères biomimétiques)? systèmes auto-associés et hors équilibre? interactions à longue portée (hydrodynamiques, charges)? aspects dynamiques et rhéologiques
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SommaireQuelques études de physique en matière . . .
Étapes scientifiques
Axes de recherchesMatière granulaire : Est-elle fragile ?Matière amorphe : Réponse linéaire inhomogèneMatière molle : Physique des polymères “morts" et “vivants"
Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblésANR SP-BRUSH : Brosses polymères cisaillées
Conclusion
AnnexeMéthodes de simulationQuelques papiers importantsEncadrement : stagiaires, thésards et post-docsOrganisation des ateliers de travail et des confèrences
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Perspectives de recherche à l’ICSMéthodes de simulation
• Enjeu : Équilibrer solutions denses avec N > 1000• Problème : Temps de relaxation ≈ diffusion sur Re ∼ N1/2
• “Double pivot" (H. Meyer)[NIC 2003]
I Algorithme très populaireproposé par D. Theodorou
I Résultat empirique : τ ∼ N1.7
I Comprendre cette relaxation etoptimiser les paramètres !
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Perspectives de recherche à l’ICSMéthodes de simulation
• Enjeu : Équilibrer solutions denses avec N > 1000• Problème : Temps de relaxation ≈ diffusion sur Re ∼ N1/2
• “Rénormalisation inverse" (Kreer )
I grandes échelles avecinteractions effectives limitantles fluctuations de densité
I ajout systèmatique des degrésde liberté
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Perspectives de recherche à l’ICSMéthodes de simulation
• Enjeu : Équilibrer solutions denses avec N > 1000• Problème : Temps de relaxation ≈ diffusion sur Re ∼ N1/2
• “Single Chain in Mean Field" (avec M. Müller, A. Cavallo )
I chaînes sans interactions dans champ extérieur ⇒simulation MC⇒ conformations équilibrées⇒champ extérieur à la Flory-Huggins ⇑
I Parallélisation simple !I Simulation des mésophases complexes possibleI Dynamique des phases au niveau “Cahn-Hilliard"I Polymères chargés ? !
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Quelques papiers importants
Cinq articles ajoutés au dossier
I Computational confirmation of scaling predictions forequilibrium polymers , J. P. Wittmer, A. Milchev, M. E. Cates,Europhys. Lett., 41, 291 (1998).
I Jamming, Force Chains and Fragile Matter , M. E. Cates,J. P. Wittmer, J.-P. Bouchaud, P. Claudin,Phys. Rev. Lett., 81, 1841 (1998).
I Long Range Bond-Bond Correlations in Dense PolymerSolutions , J. P. Wittmer, et al., Phys. Rev. Lett., 93, 147801,(2004).
I Inhomogeneous elastic response of silica glass ,F. Léonforte, A. Tanguy, J. P. Wittmer, J.-L. Barrat, Phys. Rev.Lett., 97, 055501 (2006).
I Why polymer chains in a melt are not random walks ,J. P. Wittmer, et al., Europhys. Lett., 77, 56003 (2007).
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Quelques papiers importants
Matière granulaireI An explanation for the central stress minimum
in sandpilesJ. P. Wittmer, M. E. Cates, P. Claudin, J.-P. BouchaudNature, 382, 6589 (1996).
I Jamming, Force Chains and Fragile MatterM. E. Cates, J. P. Wittmer, J.-P. Bouchaud, P. ClaudinPhys. Rev. Lett., 81, 1841 (1998).
I Stress propagation in a granular column :theory and experimentL. Vanel, Ph. Claudin, J.-Ph. Bouchaud, M. E. Cates,E. Clément, J. P. WittmerPhys. Rev. Lett., 84, 1439 (2000).
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Quelques papiers importantsSolides amorphes
I Vibrations of Amorphous, Nanometric Structures :When does Continuum Theory Apply ?J. P. Wittmer, A. Tanguy, J.-L. Barrat, L. LewisEurophys. Lett., 57, 423 (2002).
I Inhomogeneous elastic response of silica glassF. Léonforte, A. Tanguy, J. P. Wittmer, J.-L. BarratPhys. Rev. Lett., 97, 055501 (2006).
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Quelques papiers importants
Polymères chargésI Random and Alternating Polyampholytes
J. P. Wittmer, A. Johner, J. F. JoannyEurophys. Lett., 24, 263 (1993).
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Quelques papiers importantsContraintes topologiques
I On two intrinsic length scales in polymer physics :topological constraints vs. entanglement lengthM. Müller, J. P. Wittmer, J.-L. BarratEurophys. Lett., 52, 406 (2000).
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Quelques papiers importants
Brosses polymèresI Diffusive growth of a polymer layer by in situ
polymerizationJ. P. Wittmer, M. E. Cates, A. Johner, M. S. TurnerEurophys. Lett., 33, 397 (1996).
I Formation and Equilibrium Properties of LivingPolymer BrushesA. Milchev, J. P. Wittmer, D. P. LandauJ. Chem. Phys., 112, 1606 (2000).
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Quelques papiers importants
Polymères vivantsI Computational confirmation of scaling predictions for
equilibrium polymersJ. P. Wittmer, A. Milchev, M. E. CatesEurophys. Lett., 41, 291 (1998).
I Osmotic Pressure of Solutions Containing FlexiblePolymers Subject to an Annealed Molecular WeightDistributionA. Milchev, J. P. Wittmer, P. van der Schoot, D. P. LandauEurophys. Lett., 54, 58 (2001).
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Quelques papiers importants
Corrélations statiques dans la phase fondueI Long Range Bond-Bond Correlations in Dense
Polymer SolutionsJ. P. Wittmer, H. Meyer, J. Baschnagel, A. Johner,S. P. Obukhov, L. Mattioni, M. Müller, A. N. SemenovPhys. Rev. Lett., 93, 147801, (2004).
I Why polymer chains in a melt are not random walksJ. P. Wittmer, P. Beckrich, A. Johner, A. N. Semenov,S. P. Obukhov, H. Meyer, J. BaschnagelEurophys. Lett., 77, 56003 (2007).
I Long-range correlations in polymer melts :The segmental size distribution and its momentsJ. P. Wittmer, P. Beckrich, H. Meyer, A. Cavallo, A. Johner,J. Baschnagel, Phys. Rev. E, accepted (2007),arXiv :0704.1620.
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Quelques papiers importants
Dynamique des polymèresI Rouse and Reptation Dynamics at Finite
Temperatures : A Monte Carlo SimulationJ. P. Wittmer, W. Paul, K. BinderMacromolecules, 25, 7211 (1992).
I On two intrinsic length scales in polymer physics :topological constraints vs. entanglement lengthM. Müller, J. P. Wittmer, J.-L. BarratEurophys. Lett., 52, 406 (2000).
I Dynamical Properties of the Slithering SnakeAlgorithm : A numerical test of the activated reptationhypothesisL. Mattioni, J. P. Wittmer, J. Baschnagel, J.-L. BarratEur. Phys. J. E, 10, 369 (2003).
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Quelques papiers importantsMethodes de simulation
I Monte Carlo Simulation of Polymers : Coarse-GrainedModels , J. Baschnagel, J. P. Wittmer, H. MeyerIn Computational Soft Matter : From Synthetic Polymers toProteins, NIC Series Jülich, editor : N. Attig, 23, 83-140,(2004).
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EncadrementStagiaires :
I M. Müller (Edimbourg, 1995, 1998) : Polymères enanneau et le rôle des contraintes topologiques
I A. Milchev (Edimbourg, 1996) :Simulation de Monte Carlo des PV
I Sadrine Godefroid (Lyon, 05-07/1999) :Brosse des PV
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EncadrementStagiaires :
I M. Müller (Edimbourg, 1995, 1998) : Polymères enanneau et le rôle des contraintes topologiques
I A. Milchev (Edimbourg, 1996) :Simulation de Monte Carlo des PV
I Sadrine Godefroid (Lyon, 05-07/1999) :Brosse des PV
I Jacqueline Yaneva (Lyon, 04-07/2001) :Simulation de type dynamique brownienne des PV
I Fabien Léonforte (Lyon, 03-07/2001) :Vibrations des agrégats élastiques bi-dimensionels
I Yann Cesbron (Strasbourg, 02-07/2005) :Simulation des PV bi-dimensionels
I Svetoslav Ivanov (Strasbourg, 10-12/2007) :Dynamique des PV près des surfaces
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EncadrementThésards :
I Laetitia Mattioni (LPMCN, Lyon, 2001-2004) :Renforcement des matrices polymères par des “charges"du type noir de carbone, co-direction avec J.L. Barrat,collaboration avec MICHELIN.
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EncadrementThésards :
I Laetitia Mattioni (LPMCN, Lyon, 2001-2004) :Renforcement des matrices polymères par des “charges"du type noir de carbone, co-direction avec J.L. Barrat,collaboration avec MICHELIN.
I Fabien Léonforte (LPMCN, Lyon, 2003-2006) :Propriétés élastiques et plastiques des solides amorphes,co-direction avec J.L. Barrat.
I François Crevel (ICS, Strasbourg, 2004-2007) :Propriétés statiques et dynamiques des PV :constantes de réaction chimique effectives
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EncadrementPost-docs :
I Torsten Kreer (ICS, Strasbourg, 2004-2010)? Dynamique des polymères dans les couches minces :
Reptation activée ?? Brosses polymères neutres cisaillées sans solvant :
Effets des thermostats (Langevin, DPD)? Brosses polyélectrolyes cisaillées avec solvant explicit
(ANR SP-BRUSH 2007-2010)I Anna Cavallo (ICS, 2006-2009)
? Caractèrisation des PV dans les couches minces? Réseaux auto-associés (ANR TSANET, CNRS) :
Polymères téléchéliques (PT), PT et PV
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Ateliers de travail et confèrences1. Mesoscopic Modelling of Polymer Dynamics
CECAM, Lyon, France, (03-05/Feb/2003).
2. Modélisation Moléculaire des Polymèreset des Matériaux AmorphesICS, Strasbourg, France (06/Sep/2004).
3. Equilibrium and non-equilibrium properties ofSelf-Assembled PolymersICS, Strasbourg, France (10-11/Jan/2005).
4. Simulating deformed glasses and melts :From simple liquids to polymersCECAM, Lyon, France (12-14/Sep/2005).
5. Fundamental and Applied Macromolecular Science :Toward Next Generation MaterialsICS, Strasbourg, France (29-31/Jan/2007).
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SommaireQuelques études de physique en matière . . .
Étapes scientifiques
Axes de recherchesMatière granulaire : Est-elle fragile ?Matière amorphe : Réponse linéaire inhomogèneMatière molle : Physique des polymères “morts" et “vivants"
Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblésANR SP-BRUSH : Brosses polymères cisaillées
Conclusion
AnnexeMéthodes de simulationQuelques papiers importantsEncadrement : stagiaires, thésards et post-docsOrganisation des ateliers de travail et des confèrences