Projets

Creeping perennial weeds have strong impacts on arable production, causing crop quantity and quality losses unless controlled. These weeds ensure their lifeform by subterranean storage organs (e.g., roots, rhizomes). Besides seed dispersal, their subterranean clonal systems facilitate survival and spatial spread in arable fields by vegetative sprouting. Classified as geophytes which regenerate their above ground plant biomass from subterranean sources, they can in general occur in different agroecosystems. Some creeping perennial species are strongly adapted to arable land where intensive crop production occurs. The common practices of arable farmers to control creeping perennial weeds are intensive inversion tillage and herbicides (especially glyphosate). However, intensive inversion tillage by ploughing not only consumes lots of energy, but also diminishes the soil biological activities. Indiscriminate use of herbicides has side effects on human health, non-target species, and the wider environment (e.g., water quality). Agro-ecological management claims that sustainable agricultural systems should rely as much as possible on ecological processes to ensure long-term food security, human welfare and environmental protection. Indeed, integrated weed management for perennial weeds demands to explore, compare and evaluate such novel strategies. The objective of AC/DC-weeds is to implement more and better agro-ecological management for creeping perennials in arable farming. The overall aim of this project is to reduce plough-tillage in organic and conventional farming, and to replace glyphosate in the latter system. AC/DC-weeds involves seven partners from five European countries. These countries represent a considerable area of central and northern Europe. The three year project contains seven Work Packages, each aiming to use the most advanced methodology to achieve the following research objectives: • Through field experiments, examine the perennial weed control efficiency of novel mechanical tillage tools (‘root cutter’), subsidiary crops, and bioactive herbicides; • Conduct meta-analyses to quantify the efficiency of competition process by subsidiary crops on perennial weed regulation, to analyse the sources of variability and to relate the effects to crop traits; • By literature review and small scale experiments, expand ecological data and knowledge for three most important perennial weed species in central and northern Europe (Elymus repens, Cirsium arvense and Sonchus arvensis); • Based on the currently best UAV (unmanned aerial vehicle) technology, improve mapping procedures of perennial weeds in arable fields; • Develop a new qualitative modelling of perennial weed management based on combined control methods, soil, weather, and the environment; • Design a graphic web tool to support end users with accessible and specific information on the efficiency of management options on perennial weeds; • Explore environmental and economic effects of agro-ecological management strategies to support project communication and dissemination.

La dépollution de l’air est à la fois un enjeu de défense (detoxification d’espaces confinés) et un enjeu de santé publique (certains Composés Organiques Volatils sont cancérigènes), et de confort domestique (réduction des nuisances olfactives). Le principal défi de la purification de l’air intérieur est que les polluants ou odeurs sont de concentration et de nature chimiques très variables dans un air dont la teneur en vapeur d’eau est typiquement beaucoup plus plus élevée ; ceci rend les technologies conventionnelles de filtration ou d’oxydation peu opérantes, en particulier dans le cas de molécules halogénées et soufrées. Après plusieurs années de recherche et développement, les technologies de purification de l’air intérieur par couplage d’un plasma froid et d’un catalyseur sont désormais matures. Le principe est d’adsorber les polluants sur un filtre et de régénérer les propriétés adsorbants de ce filtre grâce aux espèces oxydantes produites par un plasma froid au contact du filtre. Le grand avantage des plasmas froids est de créer des espèces fortement oxydantes avec une très faible dépense énergétique. Le LPP est en pointe sur la dépollution de l’air par couplage Plasma-Catalyse sur lequel il travaille depuis de nombreuses années ; il est l‘un des rares laboratoires en France à maîtriser la purification de l’air dans le domaine de quelques ppb. Un verrou scientifique que nous souhaitons résoudre est l’oxydation de molécules halogénées et soufrées. Des produits à usage domestique utilisant la technologie Plasma-Catalyse sont commercialisés : la société ALKO a récemment mis sur le marché le dispositif ALKO PURE issu des recherches menées en collaboration avec le LPP. Tous ces dispositifs de purification utilisant la technologie plasma catalyseur actuellement sur le marché sont relativement encombrants. Nous proposons de nous associer avec une société qui produit et vend des dispositifs de traitement de l’air intérieur de taille intermédiaire, pour réaliser un module ultracompact de purification de l’air en utilisant l’expertise acquise en termes de choix de catalyseurs et en travaillant sur la miniaturisation du dispositif. La motivation de ce développement technologique est de créer des dispositifs de purification de l’air très efficaces d’espaces confinés. A la différence des dispositifs existants sur le marché, nous ne viserons pas l’aspect silencieux, mais l’efficacité et la rapidité de la purification. Les applications civiles ou militaires concernent les espaces confinés pour la désodorisation, la purification voire la détoxification de petites pièces ou d’habitacles d’automobiles, d’engin blindés, d’aéronef, de sous-marins, de bâtiments de surfaces, voire de Shelter. Les enjeux de notre projet sont : - La miniaturisation du dispositif à plasma et du système d‘aéraulique. - L’oxydation de molécules halogénées et soufrées. - La conception de filtres catalytique régénérables à haute performance pour une très large gamme de polluants des domaines civiles et militaires. Ce programme de recherche expérimentale est prévu pour une durée trois ans et aboutira à la réalisation de deux prototypes directement industrialisables répondants aux enjeux ci-dessus.

Pour la majorité des systèmes d'acquisitions (RADAR, imagerie, optiques, sismiques, ...), on constate une tendance vers le développement de systèmes de plus en plus sophistiqués : - augmentation du nombre de capteurs dans une antenne (e.g. RADAR STAP) - utilisation d’un nombre croissant d’antennes tant pour l’émission que pour la réception (e.g. MIMO-radar , nouveaux grands interféromètres) - intégration de plusieurs modalités dans un même système comme la polarisation et l’interférométrie (e.g. systèmes SAR), l’information spatiale et/ou fréquentielle, la diversité de forme d’ondes et la diversité temporelle (dans le séries temporelles d'images SAR ou hyperspectrales). Évidemment, cette sophistication des systèmes a pour but d’enrichir l’information obtenue et donc d'améliorer les performances par rapport aux systèmes classiques, par exemple : - une augmentation de la résolution - une amélioration des performances de détection (en particulier pour des RSB faibles) - une meilleure discrimination entre les différents phénomènes physiques. Cependant, la simple transposition de traitements classiques ne permet pas d’atteindre les performances optimales offertes par ces nouveaux systèmes. En effet, plusieurs complications liées à cette sophistication des systèmes vont obliger à remanier profondément les modélisations et les traitements, notamment : - la réponse de l'environnement sondée devient complexe et hétérogène, - la taille des données est accrue, rendant l'estimation des paramètres statistiques difficile voire impossible, - la construction du vecteur de donnée pour des systèmes multi-modalités est non triviale, - une incertitude sur la modélisation du signal réfléchi apparait (et donc sa paramétrisation dans les algorithmes). Le projet MARGARITA vise à résoudre les verrous soulevés précédemment en proposant de nouvelles chaines de traitements de détection/estimation pour des systèmes multi-capteur, multi-modalité dans un environnement complexe et hétérogène. Ces nouvelles méthodes seront développées en s’appuyant sur la combinaison d’outils et d’avancées récentes en traitement du signal : estimation robuste, méthodes d’optimisation novatrices, outils de géométrie différentielle et théorie des grandes matrices aléatoires. Ainsi, nous visons à : + intégrer une modélisation statistique plus fine (gérer non gaussianité et hétérogénéité des données) dans une problématique d'estimation/détection en grande dimension. + intégrer des a priori de structure et d'incertitudes de modèle dans les traitements de détection/estimation robustes modernes. + caractériser finement les performances théoriques des nouveaux traitements proposés pour les environnements complexes. Outre des garanties théoriques, cette caractérisation offrira des outils de spécification/design en amont. + Montrer que le formalisme et les outils développés pourront être appliqués dans les domaines utilisant des systèmes d’acquisition modernes. Ainsi nous proposons d'adapter ces traitements vers des applications RADAR spécifiques (STAP, STAP-MIMO, SAR) ainsi que les porter vers d'autres applications civiles (imagerie hyperspectrale, radioastronomie, GPR). Plus précisément, le projet : - utilisera des outils d’estimation robuste combinés à des méthodes d’optimisation récentes (majoration-minimisation et optimisation sur variétés) pour proposer de nouveaux estimateurs (notamment de matrice de covariance) exploitant efficacement le plus d’information a priori disponible. - étendra les méthodes d'estimations de sous espaces Bayésiens à un contexte d’estimation/détection robuste afin d'intégrer des incertitudes sur le modèle du signal reçu. - exploitera le formalise des bornes mismatch pour résoudre des problèmes de calibration dans des systèmes multi-capteurs et multi-modalité. - utilisera des outils récents de caractérisations de performances (théorie de grandes matrices aléatoires et bornes intrinsèques) pour garantir les performances des processus développés.

Aujourd’hui, nombre de bactéries pathogènes portent des gènes les rendant résistantes à la plupart des antibiotiques. De plus, la capacité de ces bactéries à former des biofilms renforce encore leur capacité à résister à l’action des antibiotiques. Il s’agit d'un problème planétaire majeur de santé publique. La découverte de nouveaux antibiotiques dont celle de molécules capables d'inhiber les mécanismes de résistance ou la formation de biofilm devient une nécessité absolue. Les bactéries Streptomyces produisent déjà plus des 2/3 des antibiotiques connus ainsi que certaines molécules capables d’inhiber les mécanismes de résistance. Chaque espèce de Streptomyces est connue pour produire de 2 à 4 molécules bioactives mais le séquençage du génome de plusieurs espèces de Streptomyces a révélé que ces derniers contiennent 20 à 40 voies de biosynthèse susceptibles de diriger la synthèse d’un nombre bien plus important de molécules potentiellement bio-actives. Ceci suggère que la plupart des voies détectées in silico sont trop faiblement exprimées (cryptiques) dans les conditions habituelles de laboratoire pour que les produits dont elles dirigent la synthèse soient détectés donc caractérisés. La conception et la mise en œuvre de stratégies innovantes sont nécessaires pour faire s’exprimer ces voies cryptiques afin d'accéder à cette immense diversité métabolique et découvrir de nouveaux antibiotiques. Le groupe MES de l’I2BC a élaboré un nouvel outil permettant cette "décryptification". Il a démontré que la forte production d’antibiotique de la souche modèle S. coelicolor, était corrélée à un métabolisme oxydatif et un faible contenu en lipides de réserve de la famille des triacylglycérol (TAG) alors que l’absence de production d’antibiotique chez une autre souche modèle, S. lividans, était corrélé à un métabolisme glycolytique et à l’accumulation de TAG. Ce groupe a démontré qu'il est possible de déclencher une transition d'un métabolisme glycolytique vers un métabolisme oxydatif en générant une déplétion artificielle en ATP. Pour ce faire, le gène codant une petite protéine synthétique présentant une très forte affinité à l'ATP a été clone sous le contrôle d'un promoteur fort et introduit chez S. lividans. La surexpression de cette petite protéine a induit un déficit en ATP corrélé à une diminution du contenu en TAG et une forte augmentation de la production d'antibiotiques. Cet outil a été introduit chez d’autres Streptomyces et, dans tous les cas, une forte augmentation de la production d’antibiotiques a été observée. La preuve de concept a donc été faite et un dépôt de brevet est en préparation. La poursuite de ce projet implique la caractérisation des nouvelles molécules bioactives produites par les souches transformées et nécessite la collaboration étroite entre 3 groupes de l'Université Paris Saclay (I2BC, ICSN, UPSud-EA736-CNR) ayant des expertises complémentaires. Le déroulement du projet implique six étapes séquentielles 1 Introduction de l’outil de “décryptification” dans des souches de Streptomyces peu étudiées et caractérisées par une production d’antibiotique faible et un contenu en TAG élevé 2 Construction d’une collection de souches de E. coli portant des gènes conférant la résistance à différentes classes d’antibiotiques 3 Evaluation de l'activité antibiotique présente dans les milieux de culture des souches transformées sur des micro-organismes modèles pathogènes ou non et multi-résistants ou non aux antibiotiques couramment utilisés ainsi que sur la collection de souches de E.coli mentionnée ci-dessus. 4 Analyse des métabolomes par LC-MS2 et visualisation en réseau moléculaire, extraction, isolement et caractérisation des nouvelles molécules bioactives produites. 5 Evaluation de l'activité antibiotique des molécules purifiées (seules ou en combinaison) sur les micro-organismes mentionnés ci-dessus. 6 Identification des clusters de gènes dirigeant la synthèse des nouvelles molécules bioactives.

Le développement spectaculaire des diodes électroluminescentes (LEDs) dans le domaine du visible ouvre de nouvelles possibilités de pompage optique pour les lasers accordables dans l'infrarouge proche. En effet, ces lasers peinent à se développer par manque de sources performantes émettant dans leurs bandes d'absorption, situées dans le visible. Deux cristaux sortent du lot pour leur potentiel en pompage par LED : l'alexandrite (Cr3+:BeAl2O4) accordable entre 700 nm et 800 nm et le Cr:LiSAF (Cr3+:LiSrAlF6), accordable entre 800 nm et 950 nm. Le but du projet "ALEDxandrite" est de démontrer pour la première fois le pompage par LED de ces cristaux dans la perspective d'applications duales utilisant la lumière accordable dans l'infrarouge et dans l'ultraviolet. Pour les applications "défense" liées à la détection de matière dangereuses, l'alexandrite et le Cr:LiSAF permettent d'adresser la bande 280 nm - 360 nm en deux à trois conversions lumineuses seulement, depuis la source de pompage. C'est le moyen le plus simple actuellement pour atteindre cette bande spectrale avec les caractéristiques requises en énergie et qualité spatiale pour la détection à distance par LiDAR. Les applications civiles sont très nombreuses et sont liées au fait que l'alexandrite pompé par flash est un laser installé industriellement depuis plusieurs dizaines d'années : dans l'infrarouge on trouve les applications en dermatologie, en mesure à distance pour les plantes ou l'eau. Dans l'UV, les lasers industriels servent au traitement des matériaux dans l'industrie des semi-conducteurs, à la stérilisation, à la photolithographie... De plus l'alexandrite et le Cr:LiSAF ont des bandes spectrales compatibles avec les lasers femtosecondes émettant vers 800 nm : ils ont le potentiel pour devenir des amplificateurs d'impulsions ultracourtes, en remplacement des systèmes complexes basés sur le saphir dopé au titane pompé par lasers dopés au néodyme. Les acteurs du projet sont le Groupe Lasers du Laboratoire Charles Fabry et EFFILUX, une jeune entreprise du domaine de l'éclairage industriel à LED. Ces acteurs travaillent ensemble depuis quatre ans en associant leurs compétences complémentaires de façon très fructueuse. Le projet ALEDxandrite bénéficiera du travail de fond réalisé dans le cadre d'une ANR (Edelveis entre 2012 et 2016), ce qui augmentera son efficacité et limitera les risques du projet. Le watt optique par LED (autour de 0,5 euros) étant dix à cent fois moins cher que le watt optique des diodes laser, le projet ALEDxandrite ouvrira la voie à une nouvelle génération de lasers à solide, accordables et de coût drastiquement réduit.

Plants must constantly respond to a wide range of signals, including stresses, in order to coordinate their development and survival within a dynamic environment. One way in which this is achieved is through chemical modifications of proteins, allowing flexible and rapid changes of the proteome to alter cellular and physiological outputs. Protein acetylation is one such modification, which occurs on the N-termini (Nt) and internal lysines (K) of many proteins. Despite its prevalence, and in contrast to other wellstudied modifications (e.g., phosphorylation), our knowledge of: (i) the regulation, specificity and plasticity of protein acetylation, and (ii) its downstream functional consequences on protein activity and physiology are severely lacking, especially in plants. It is therefore extremely timely to elucidate the multifaceted functions of protein acetylation and open up this new area of plant molecular biology, in which Europe has the capacity to take a world lead through strategic ERA-CAPS funding. The overarching aim of the KatNat project is to provide a mechanistic understanding of protein acetylation in plants, with a particular focus on investigating the enzymes that catalyze this modification (Nt- and K-acetyltransferases) and the resultant effects on proteostasis, photosynthesis, and metabolism. Crucially, this work will be carried out within the context of agronomically relevant stresses. KatNat consists of four interrelated objectives that will answer broad questions: (1) How does abiotic stress regulate the global Nt- and K-acetylome?; (2) What are the specificities, targets and stress-responsive dynamics of the acetyltransferases?; (3) How does protein acetylation impact protein stability and turnover?; (4) How does protein acetylation in plastids regulate photosynthesis and metabolism? By answering these connected questions, KatNat will not only shift the forefront of the field but will provide regulatory mechanisms and fundamental new insight into how plants sense and respond to environmental changes, which may become entered into textbooks. Last but not least, the obtained information will identify key new targets for the future development of superior crops. The KatNat consortium brings together five European groups who all have a significant, demonstrable interest in the study of protein acetylation, and who have the highly complementary expertise in mass spectrometry, protein biochemistry and molecular plant biology required to carry out this original and competitive research at the highest international level. Consortium members already have a world lead in this field, and several members currently collaborate informally. The synergistic value of our collaboration will be the development and exploitation of an understudied area of in plant science, with key importance to agriculture. The proposed research is highly innovative, aligns closely with ERA-CAPS priority themes and has measurable and impactful outcomes that will shed light onto this emerging, exciting and important new area of plant molecular biology.

The goal of this research is to determine the role of extracellular vesicles (EVs) in plant-microbe interactions. EVs are known to mediate intercellular transfer of small RNAs (sRNAs) in mammalian and insect systems, but very little is known about the function of EVs in plants or fungi. Our team has developed methods to purify plant EVs and has demonstrated that EVs are enriched in stress response proteins, and carry sRNAs. We hypothesize that plant EVs also mediate intercellular signaling, including trans-kingdom transfer of sRNAs. The experiments detailed in this proposal will examine whether plant and fungal EVs carry sRNAs that target each other’s genes, how plant EVs are produced, and how plants and fungi exchange EVs. These questions will be addressed using soybean and Arabidopsis as host plants, and Colletotrichum spp., Pseudomonas syringae, and Bradyrhizobium japonicum as microbes. We will isolate EVs from plants infected with these microbes and will quantitatively assess their protein and sRNA contents. These analyses will provide insight into how proteins and sRNAs are targeted to EVs, and how EVs differ between types of interactions. These analyses will also reveal, for the first time, the contents of EVs from a fungal plant pathogen. Most significantly, these analyses will enable us to establish a network of trans-kingdom gene regulation between plants and fungi. EV-mediated transfer of sRNAs between host cells and fungal cells will be imaged using superresolution microscopy and RNA-PAINT. In addition, genes required for EV biosynthesis will be identified using reverse genetics. Mutants with defects in EV biogenesis will be further analyzed using 3D electron microscopy, allowing us to image plant-fungal interfaces at unprecedented resolution, capturing all stages of EV production, release, and uptake. The above objectives will be accomplished by a team of four laboratories with highly complementary expertise. The Innes lab is pioneering the study of EVs, and brings over 25 years of experience comparing soybean and Arabidopsis immune systems. The Meyers lab is an international leader in the sRNA field, and has performed extensive characterization of soybean sRNAs. The O’Connell lab is an international leader in Colletotrichum pathogenesis, and has pioneered EM methods for imaging fungal infection sites. The Thordal-Christensen lab has amassed a collection of Arabidopsis endomembrane trafficking mutants, which will be assessed for defects in EV production. With this collection of expertise and resources, our group will be able to make rapid progress toward understanding the roles of EVs in plant-microbe interactions. This research will enable development of durably disease resistant crops via improving novel disease resistance mechanisms such as host-induced gene silencing. Development of crops with durable disease resistance is a key to the creation of a sustainable and secure food supply, the ultimate goal of ERA-CAPS.

DIP-NAWDEX vise à mieux comprendre le rôle joué par les processus diabatiques, comme la microphysique des nuages, le rayonnement, ou encore la turbulence, sur les perturbations atmosphériques des moyennes latitudes et sur la formation d'erreur de prévision numérique du temps et de biais dans les modèles de climat. Sur l'Amérique du Nord et l'Atlantique Nord, les processus diabatiques exercent une influence majeure sur la structure du courant-jet atlantique, sur la propagation des ondes de Rossby près de la tropopause, ainsi que sur le déclenchement d'événements météorologiques extrêmes sur l'Europe. Ces processus ont été étudiés lors de la campagne de mesure internationale NAWDEX (North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment) qui a eu lieu en 2016 et a fourni un jeu de données unique pour quantifier ces processus et évaluer la qualité des modèles. Grâce à une collaboration étroite entre pays européens et nord américains, quatre avions appartenant à 3 pays différents transportant des lidars et radars de pointe ont pu être déployés sur l'Atlantique Nord-Est. Ces mesures aéroportées ainsi que d'autres à partir du sol ont permis d'obtenir des observations à fines échelles sur un grand domaine. Notre objectif est plus particulièrement de s'intéresser aux bandes transporteuses d'air chaud (ou « warm conveyor belts », WCBs, en anglais) et leur impact sur la circulation en haute troposphère. Les WCBs correspondent à des masses d'air qui gagnent en humidité dans le secteur chaud des dépressions extra-tropicales et connaissent une ascension rapide de la couche limite vers la haute troposphère marquée par un fort dégagement de chaleur latente. Celles-ci ont été intensivement observées par les vols de l'avion français de l'équipe SAFIRE grâce au déploiement de dropsondes mais aussi et surtout grâce aux mesures de télédétection de la plateforme RALI composée d'un radar nuage, d'un lidar et d'un radiomètre. Le projet se décompose en trois tâches. La première tâche consiste d'abord en une vérification de la qualité des données à partir de comparaison entre diverses données co-localisées (in-situ, et mesures de télédétection aéroportées et satellitaires). Des outils de comparaison entre modèles et observations seront développés ou améliorés comme les simulateurs d'observables ou encore les algorithmes de restitution des données de microphysique nuageuse à partir des observations RALI. Enfin, une dernière sous-tâche dédiée à l'assimilation de données de vent sera menée pour évaluer l'impact sur la prévision du temps en aval. La deuxième tâche est dédiée aux études de processus à méso-échelle des WCBs et leur impact local sur l’écoulement atmosphérique. Des simulations de modèles régionaux centrées sur un domaine couvrant l'Islande et son voisinage sud où ont eu lieu les vols SAFIRE seront effectuées dans le but de les comparer aux observations. Des expériences de sensibilité à différents schémas de paramétrisation seront menées. Des diagnostics Lagrangiens seront développés pour séparer le chauffage diabatique en différentes tendances (microphysique, rayonnement, turbulence). Enfin, la troisième tâche vise à s’intéresser à des mécanismes d’interactions à plus grande échelle. On s’intéressera en particulier à l’impact à distance des WCBs sur la formation d’un blocage début octobre et sur la formation d'un événement météorologique extrême (fortes rafales et précipitations) qui a frappé le sud de la France mi-Octobre. Il s’agit également dans cette tâche d’analyser les biais des modèles de climat en effectuant des simulations à courte échéance des deux modèles de climat qui permettra d'identifier les processus physiques rapides de croissance d'erreur. Ainsi, le présent projet nécessite une approche méthodologique combinée, qui devient possible grâce à l'expertise complémentaire des scientifiques impliqués et avec lesquels interagiront les 2 postdocs recrutés.

Les latérites, qui font partie de la couverture d’altération de la surface terrestre, occupent 80% du volume total des sols et participent significativement au bilan géochimique global de l’érosion et de l’altération, et ainsi à la consommation de gaz à effet de serre. Malgré leur importance à la surface de la Terre, la chronologie de leur formation et de leur évolution en réponse au changement climatique et géodynamique est toujours peu contrainte. Le projet RECA adressera les questions de l’axe 1 du challenge 1 de l’ANR « Fonction et évolution du climat, océans et cycles majeurs » et « Surface continentale : zone critique et biosphère » de l’ANR, par la reconstruction de l’influence du climat sur la formation des latérites. L’originalité du projet RECA est de combiner des données chronométriques et des marqueurs de l’altération et du climat développés ces dernières années de façon à construire un scénario complet et prédictif de la formation et de l’évolution des latérites. Pour cela, nous allons concentrer nos efforts sur la région géodynamiquement stable du bouclier Guyanais et de l’Amazonie centrale, où des latérites se sont formées tout au long du Cénozoïque et sont associées à cinq unités géomorphologiques majeures. Ce projet pluridisciplinaire ambitieux propose, pour la première fois, de réaliser des datations absolues des cuirasses latéritiques associées aux grands épisodes de pénéplanation du super continent sud Américain. Nous allons dater des populations d’oxydes et hydroxydes de fer (hématite, goethite) et d’argile (kaolinite), bien identifiés minéralogiquement, respectivement par (U-Th)/He, (U-Th)/Ne et résonnance paramagnétique électronique. Ces méthodes de datation récentes sont particulièrement adaptées car elles s’appliquent aux minéraux secondaires les plus communs des latérites qui peuvent enregistrer des temps géologiquement longs. La complexité inhérente aux matériaux de l’altération, qui peuvent contenir différentes populations d’un même minéral secondaire, liées à des étapes distinctes de latéritisation, sera prise en compte. La chronologie de la formation des cuirasses sera alors reliée aux conditions paléo-climatiques (température, précipitation) dérivées de la combinaison d’outils géochimiques et d’indices minéralogiques : (i) à l’échelle globale, avec par exemple les courbes de drainage continental connues, (ii) et à une échelle plus régionale au travers de l’intensité de l’altération, l’analyse des rapports goethite/hématite ou les rapports isotopiques de l’O et H sur les kaolinites et d’oxydes et hydroxydes de fer. Une tâche supplémentaire sera d’y associer les méthodes isotopiques « non-conventionnelles » du Li, Si et Fe, qui aideront à différencier les évolutions de l’altération liées aux étapes diverses de formation des latérites. Le couplage du bilan d’altération avec les âges des phases d’altération des profils latéritiques permettra d’obtenir des taux d’altération et d’érosion, qui seront comparés aux environnements d’altération actuel et passé de la surface de la Terre. Afin de mener à bien cette tâche ambitieuse, le projet RECA rassemble un consortium international fait de chercheurs qualifiés dans l’identification des sols latéritiques, les méthodes de datation, la minéralogie environnementale, la géochimie élémentaire et isotopique « conventionnelles » et « non- conventionnelles », et des approches de modélisation des profils d’altération. La synergie des équipes identifiées offre le plus haut niveau de garantie pour surmonter les difficultés techniques et scientifiques, donnant accès aux informations encore cachées sur la formation et l’évolution des sols en réponse au changement climatique sur des échelles de temps géologiques.

La région de la tropopause tropicale (TTL=Tropopause TropicaL Layer) est la région de l’atmosphère entre 30°S and 30°N qui est limitée en dessous par la troposphère tropicale dominée par la convection et au dessus par l’écoulement quasi-horizontal dans la stratosphère régulée par la circulation de Brewer-Dobson. La TTL est la porte d’entrée de la stratosphère qui contrôle sa composition. Elle est traversée par l’air frais monté de la surface par la convection, transportant la pollution anthropogénique. En raison de ce rôle et de l’effet radiatif des cirrus qui la remplissent et qui régulent la convection dans les plus basses couches, la TTL est un composant clé du système climatique. Pendant l’été, la TTL est principalement sous l’influence de la mousson d’Asie dont l’étage supérieur est dominé par un anticyclone de grande échelle s’étendant de l’est de l’Asie à la mer Méditerranée. Cette circulation d’altitude ventile la convection et redistribue l’air ascendant. Depuis une quinzaine d’années une couche d’aérosols (ATAL=Asian Tropopause Aerosol Layer), récemment découverte, s’est développée vers 16 km d’altitude à l’intérieur de l’anticyclone de mousson et est attribuée à l’augmentation de la pollution au niveau du sol en Asie. En raison du manque d’observations dans le passé, on connaît encore très mal l’impact de la mousson sur la TTL, la distribution des sources au sol, les propriétés de transport dans la TTL et la dynamique des couches d’aérosols et de cirrus dans TTL. En particulier, la connaissance de l’ATAL repose sur très peu d’observations. Une grande quantité d’observations nouvelles sont ou seront cependant bientôt disponibles due à une nouvelle génération d’instruments en orbite et une série de campagnes en Asie basées sur des collaborations internationales. En particulier, la campagne du projet européen StratoClim, à l’été 2017, va apporter pour la toute première fois des mesures aéroportées in situ au cœur de la TTL de la mousson d’Asie et de l’ATAL. Le but fondamental du projet est de comprendre comment le changement climatique affecte les caractéristiques de la TTL (cirrus, transfert radiatif et composition de l’air qui entre dans la stratosphère) pendant la mousson d’Asie et quelles sont les rétroactions sur le climat. Les questions qui se présentent pour atteindre ce but sont (i) la description des nuages d’altitude et de leur detrainement (ii) les processus aux différentes échelles qui régulent le transport, la distribution des cirrus et des aérosols, (iii) l’impact radiatif des nuages, en particulier les cirrus fins, et des aérosol dans la région de mousson, (iv) la pleine utilisation des données disponibles. Une question immédiate et urgente est de comprendre le changement de composition manifesté par l’ATAL, d’en déterminer les propriétés chimiques et physiques, de comprendre et surveiller les sources et précurseurs et de déterminer son impact chimique et radiatif. Ces questions seront traitées par une série coordonnée de tâches. Des données multi-satellites seront analysées pour déterminer les propriétés des nuages hauts et des aérosols. Les données de campagne seront exploitées par modélisation lagrangienne pour lier les mesures aux sources et à l’histoire des parcelles d’air. De nouvelles observations par instruments légers sous ballons et à partir des lidars du réseau NDACC seront ajoutées. Un modèle avec représentation complète de la chimie sera utilisé pour comprendre l’ATAL et évalué par comparaison aux observations (in situ et satellite) . Après avoir validé ces approches, des climatologies des sources et des chemins de transport seront produites et des projections climatiques seront estimées. Le projet sera conduit par une équipe rassemblant la meilleure expertise et entraînée à travailler ensemble. Il constitue une opportunité unique de faire le meilleur usage des observations les plus récentes et de produire des avancées majeures sur un problème clé du climat.

La région de la haute troposphère et de la basse stratosphère a dans les Tropiques une importance considérable pour trois raisons. D'une part, les modèles opérationnels de prévisions du temps y conservent des biais et des erreurs importants. D'autre part, l'état de cette région dépend d'un grand nombre de processus (nucléation de cristaux de glace et d'aérosols, ondes, turbulence, circulation globale) sur une vaste gamme d'échelles allant du micron à l'échelle planétaire. Enfin, la tropopause tropicale constitue la porte d'entrée vers la stratosphère, imliquant que les processus dans cette région détermine la composition et l'humidité de la stratosphère, donnant à la région de la tropopause tropicale une importance disproportionnée par rapport à son volume. Les difficultés inhérentes à la modélisation de cette région (multiplicité d'échelles, de processus, absence d'une relation simlificatrice comme la géostrophie) implique que des observations précises, avec un échantillonnage approprié et suffisant, sont nécessaire pour mieux contraindre et guider notre compréhension de cette région. Le projet BOOST3R s'appuie sur une opportunité formidable pour la recherche sur cette région: trois campagnes de ballons de longue durée vont être menées entre la fin 2018 et 2024. Ces campagnes sont soutenues par le CNES, qui s'est engagé à lancer 45 ballons volant entre 18.5 et 20.5 km. Des instruments sont développés en France et aux Etats-Unis, spécifiquement pour ces campagnes, pour mesurer l'humidité, les aérosols, et détecter les cirrus ainsi que les anomalies de température à fine échelle en-dessous du niveau de vol des ballons, en plus des variables météorologiques traditionnelles (température, pression, vent). Ces campagnes fourniront des mesures de vent sans précédent dans la haute troposphère et basse stratosphère tropicale. Les mesures basées sur des nouveaux instruments, pour la vapeur d'eau, les aérosols, les cirrus, fourniront un éclairage exceptionnel sur les processus dans cette région. Le but de BOOST3R est de magnifier les résultats de ces campagnes, en soutenant deux sortes de travaux. D'une part, des travaux préparatoires visant à obtenir les meilleures mesures possible, par l'amélioration ou l'optimisation des instruments mais aussi par la coordination avec d'autres mesures complémentaires. Ces études nécessitent des dépenses en équipement pour le développement d'instruments, et en personnel pour les mesures coordonnées. D'autre part, pour tirer pleinement profit de ces observations novatrices, il sera indispensable de les combiner et les confronter à des approches de modélisation. C'est principalement des dépenses en personnel qui permettront de réaliser les syneergies telles que les modèles de climat pourront bénéficier véritablement des retombées de ce projet. Ce qui est en jeu, c'est de déterminer quels processus contrôlent l'état et l'évolution de cette région, soumise à l'augmentation séculaire des gaz à effet de serre d'une part, et à l'augmentation rapide de la pollution associé depuis quelques années au développement économique de l'Asie du Sud-Est. Les principalles retombées attendues sont de nouveaux instruments, des observations sans précédents des variables clés de la tropopause tropicale et un progrès considérable dans notre compréhension et notre modélisation de ce compartiment crucial du système climatique.

Les mégaséismes de subduction sont associés à des subsidences ou soulèvement soudains des zones côtières. Ils peuvent être associés à de grands tsunamis capables de transporter d'énormes quantités de sédiments marins le long des côtes. Ils sont capables de générer des turbidites sur de grandes distances. Ils peuvent tuer de nombreuses personnes et détruire infrastructures côtières et sous-marines et ont aussi des impacts à plus long terme sur l'environnement. En modifiant le paysage, ils affectent le peuplement humain. En période intersismique les mouvements lents liés au chargement induisent des variations du niveau de la mer à des taux beaucoup plus rapides que ceux dus au réchauffement climatique. Ces événements représentent une menace majeure pour les populations côtières et doivent être pris en compte dans les plans d’aménagement du territoire. De tels événements sont rares et peu connu, certain pouvant se produire seulement tous les 500 ou 1000 ans. Les catalogues de sismicité historiques sont trop courts pour permettre l'estimation de leur temps de récurrence. Les modèles de cycle sismique pour prédire la récurrence de tels événements sont peu fiables. Il faut réaliser des études paléosismologiques, seules capables d’obtenir des informations sur les séismes passés à l’échelle de plusieurs cycles sismiques. L'arc des Petites Antilles est une zone densément peuplée et très touristique exposée aux grands séismes de subduction. Le plus grand séisme reporté dans l’arc a eu lieu le 8 Février 1843. Il a détruit la ville de Pointe-à-Pitre, tuant plus de 1500 personnes. Aujourd'hui, un séisme comparable pourrait provoquer des dizaines de milliers de victimes en Guadeloupe. L'objectif du projet de CARQUAKES est de restaurer le catalogue des grands tremblements de terre et les tsunamis dans les Petites Antilles et de caractériser les aléas associés en développant une approche innovante, originale et pluridisciplinaire combinant plusieurs méthodes de paléosismologie à l’interface terre-mer, des études archéologiques et historiques et des modélisations. En mer, nous utiliserons turbidites comme marqueurs de l’occurrence de grands séismes (Tâche 1). Dans cet objectif, plus de 40 carottes sédimentaires ont été prélevées dans l'arc pendant la campagne CASEIS à bord du Pourquoi PAS ? (IFREMER) du 28 mai au 5 Juillet 2016. Le projet CARQUAKES est en partie conçu pour permettre l'exploitation de ce grand ensemble de données. A terre, nous allons combiner plusieurs approches pour retrouver la trace des événements extrêmes: 1) Des études paléosismologiques dans les lagunes côtières, les lagons et les lagunes hypersalines qui peuvent avoir conservé, dans leur sédimentation, les traces de séismes et les tsunami (Tâche 2) et 2) La paléogéodésie le long des récifs, a partir de l’enregistrement corallien des microatolls qui peuvent enregistrer des séismes pendant leur croissance les événements sismiques avec une grande précision (Tâche 3); 3) des études d’archéologie et d'histoire comprenant des recherches et des analyses des descriptions historiques de séismes et tsunami dans les archives et des prospections archéologiques en lien avec la tâche 2 (Tâche 4). Des modélisations de tsunami seront effectuées pour confronter les données de sédimentologie et pour déterminer leur impact sur le littoral (hauteur des vagues, et inondation) (Tâche 5). Le projet CARQUAKES est multidisciplinaire réunissant des experts en tectonique, morphotectonique, paléosismologie, sédimentologie, paléo-environnement, la modélisation des tsunamis, en botanique et palynologie, en archéologie et l'histoire.

Le projet InterArctique est centré sur la vulnérabilité, la résilence et les capacités d'adaptation des sociétés aux changements globaux. Le réchauffement actuel est particulièrement rapide dans les zones arctiques et subarctiques, et il est à l'origine de nombreuses transformations tant sociales, économiques que comportementales des populations de ces régions. Très peu de ces changements auront un impact positif. Les peuples de l'Arctique doivent donc faire face à ces boulversements et, dans ce contexte particulier, l'étude des changements passés donnera l'oportunité d'explorer les relations complexes entre climat et sociétés humaines. Le cadre chronologique comprend le dernier millénaire, une période bien documentées par les archives climatiques glaiciaires comme par les sources historiques. DAns ce projet, nous prévoyons plusiuers mission de terrain sur les sites suivant : Groenland - 1. Etablissement occidental (Nuuk region), 2. Disko bay and région d'Uummannaq (cote ouest) and 3. Liverpool land/cap Hoegh (Cote est) ; Canada - 1. Nunavik: Kuuvik Bay and et l'île de Mansell, 2. Nunavut: îles Belcher (Sanikiluaq), 3. Labrador (Nunatsiavut): zones de Nain and Okak bay . Le Groenland zone fut témoin, autour de l'an Mil, de la rencontre entre chasseurs-pêcheurs Inuit et fermiers scandinaves, bouclant ainsi le tour du monde effectué par l'Homme. Aujourd'hui les deux styles de vie co-existent toujours, avec des chasseur/pêcheurs au Nunavik/Nunavut, sur la côte du Labrador et au Groenland et des agriculteurs dans le sud du Groenland. Dans cette aire stratégique, notre but est de documenter 1000 ans d'interactions Homme/milieux aux moyen d'une approche pluridisciplinaire combinant l'études de différent type d'archives. L'analyse des paramètres biotiques (pollen, graines, chironomes...) et abiotiques (géochimie, granulométrie, susceptibilité magnétique, micro-morphologie...), de dépôts sédimentaires variés, lacs, sols, tourbières... éclairera l'évolution des paysages en lien avec les forçages climatiques et anthropiques. Les sites archéologiques situé dans les zones d'études et plus particulièrement les artéfacts retrouvés sur ces sites donneront de précieuses informations sur l'acquisition de ressources naturelles et les interactions environnementales. Enfin une approche culturelle sera développée et mettra l'accent sur la mémoire humaine et la perception de l'environnement, du patrimoine archéologique, des sociétés du passé et des changements environnementaux et sociaux actuels et futurs dans plusieurs communautés du Groenland et du Canada (Nunavik) . Ces questions seront abordées au moyen d'entrevues avec les aînés et les jeunes Inuits, par le partage et l'utilisation des connaissances traditionnelles des partenaires locaux du projet , ainsi que dans un projet éducatif avec les écoles, mettant en oeuvre une documentation visuelle des changements de la communauté et l'écriture de fictions narratives. La population locale sera fortement intégrée au différentes étapes du projet afin de metrte en place une co-production de savoir.

La crise de l’eau le risque #1 quant à son impact sur la société d’après le « Forum de l’économie mondiale » (01/2015) [1]. Les ressources en eau douce de surface ne représentent que 0,3% des réserves mondiales. Déjà 663 million d’humains n’ont pas accès à de l’eau potable et 2,4 milliards n’ont pas de sanitaires adéquats [2,3], ce dernier point ayant un impact fort sur la qualité des eaux douces locales et donc sur la santé des populations [4]. Même lorsque de l’eau potable est disponible, il peut y avoir une variation temporelle de sa composition en fonction de facteurs humains et environnementaux, qui rendent sporadiquement l’eau non potable [5]. Malgré ceci, la dynamique de cette variabilité et le rôle de ces différents facteurs sont mal connus car il n’existe pas de suivi permanent. Les raisons en sont expliquées dans le projet et une solution de surveillance permanente, basée sur un capteur bas cout, multi-cibles est proposée. 1. World Economic Forum. (2015). Global Risks 2015 Report. 2. World Health Organization and UNICEF Joint Monitoring Programme (JMP). (2015) Progress on Drinking Water and Sanitation, 2015 Update and MDG Assessment. 3. United States Census Bureau Estimates. (2015). United States and World Population Clock. 4. Contribution of Water Pollution From Inadequate Sanitation and Housing Quality to Diarrheal Disease in Low-Cost Housing Settlements of Cape Town, South Africa. Thashlin Govender, Jo M. Barnes, Clarissa H. Pieper, Am J Public Health. 2011 July; 101(7): e4–e9. 5. Spatial and Seasonal Variability in the Water Quality Characteristics of an Ephemeral Wetland. Chad J. Boeckman and Joseph R. Bidwell Proc. Okla. Acad. Sci. 87: pp 45-54 (2007)

L'objectif du projet est de concevoir une technologie électrochimique microbienne passive applicable aux zones humides artificielles ou à d'autres écosystèmes similaires pour l'élimination de l'azote (NO3-). Le système repose sur la récupération de l’énergie diffuse présente dans les sédiments pour induire une dénitrification efficace et à faible coût. Une idée clé est d'induire des zones anoxiques locales pour promouvoir la dénitrification sans affecter l'écosystème. La diminution de la concentration en nitrates des eaux de surface, en particulier les eaux de ruissellement et les eaux drainées provenant de l'agriculture intensive, revêt une importance primordiale. À cet effet, la mise en œuvre de zones tampons comme des écosystèmes de rétention d'azote doit être optimisée pour les processus de dénitrification à l'échelle du bassin versant afin de réduire l'occupation du sol et en même temps augmenter l'élimination des nitrates. IRSTEA développe un programme de restauration d'une zone humide artificielle construite en 2010 à Rampillon (Seine et Marne) afin de démontrer le potentiel des zones humides pour réduire l'impact environnemental de l'agriculture et assurer des ressources en eau plus pure/sûre. L'apport d'eau de ruissellement dans les zones humides artificielles contient du nitrate à une concentration qui peut être supérieure à 50 mg/L (le seuil réglementaire dans l'eau potable est de 50 mg/L, un seuil inférieur de 25 mg/L est recommandé dans les eaux de surface). Une diminution de la concentration en NO3- a été observée de l'entrée à la sortie de la zone humide, mais un traitement amélioré doit être proposé. Le système que nous proposons est une électrode 3D peu coûteuse permettant une dénitrification microbienne plus active à l'interface sédiment-eau. L'oxydation microbienne des matières organiques à partir des sédiments produit un courant qui est transféré dans les zones supérieures où se produisent les réductions de O2 et de NO3- biocatalysées. Ce système repose sur le principe d'une pile à combustible microbienne, mais contrairement à cette dernière application, l'énergie prélevée dans les sédiments ne sera pas récupérée mais directement utilisée pour l'assainissement. Dans cette configuration, le système électrochimique microbien devient passif et totalement intégré dans la zone humide artificielle avec un minimum d'entretien. Aucune installation électrique supplémentaire n'est nécessaire car aucune énergie électrique n'est extraite ou fournie au système. La réduction des nitrates se produit à l'interface eau/sédiment et est inhibée en présence d'oxygène. Nous émettons l'hypothèse que la dénitrification sera accélérée par une conception et une mise en œuvre appropriées des électrodes dans la zone humide. Les recherches fondamentales dans LowNitrate seront consacrées à la conception d'électrodes 3D induisant une zone locale anoxique. Cette propriété sera utilisée pour la croissance sélective du biofilm dans un environnement naturel permettant la réduction de NO3-. Le système électrochimique microbien optimal sera évalué dans la zone humide artificielle gérée par IRSTEA à Rampillon. L'objectif quantitatif est de doubler le taux de dénitrification qui est typiquement inférieur à 350 mg de N-NO3-/m2/jour. Nous avons l'ambition de faire une étude détaillée de l'écologie associée aux réactions de dénitrification dans la zone humide de Rampillon. Un indicateur microbien de la technologie sera développé. Un modèle quantitatif de la dénitrification dans les conditions d'écoulement de la zone humide sera élaboré. Le produit final développé dans le projet est une électrode 3D efficace à faible coût qui induira une dénitrification plus rapide dans une zone humide artificielle.

Mexico City (MC) abrite 21,2 millions de personnes, soit 19% de la population du pays. Elle émet des quantités importantes de polluants et de gaz à effet de serre qui s'accumulent fortement en raison de l'emplacement de la ville dans un bassin de haute altitude entouré de montagnes. Les autorités locales et nationales se sont engagées dans des stratégies agressives de réduction des émissions, telles que la relocalisation de l'industrie lourde et des journées sans véhicule. La recherche du projet MERCI-CO2 vise à la définition et la mise en place d'un réseau de mesure du CO2 atmosphérique permettant de quantifier l'efficacité des stratégies de réduction des émissions de CO2 prises par les autorités municipales, représentées dans le projet par le ministère de l'Environnement du gouvernement de MC (SEDEMA). Pour ce faire, nous proposons de mesurer les gradients de concentrations atmosphériques de CO2 dans et autour de MC, de les attribuer aux émissions de CO2 de la ville, et de les combiner avec un modèle de transport atmosphérique 3D afin de réduire l'incertitude sur les émissions de CO2 à l'appui des politiques de réduction prises par les autorités régionales. Ce projet permettra la mise en place des fondations du futur réseau de surveillance du CO2 à l'échelle de la ville qui sera exploité par la SEDEMA partenaire du projet. En raison de la vaste étendue de MC, la définition du réseau de mesure à même de caractériser les émissions de CO2 est un défi scientifique, et nécessitera plusieurs stations. La solution proposée face au cout prohibitif des instruments à haute précision, est de déployer un réseau de 10 capteurs à bas cout et de précision intermédiaire (LCMP), combinés à 2 instruments à haute précision déjà en place. Les performances des LCMP seront évaluées en conditions réelles à l'aide des instruments précis. Les sites des LCMP seront sélectionnés après analyse des observations existantes de qualité de l'air et des cartes d'émissions de CO2 du SEDEMA. Les nouvelles stations de CO2 seront co-localisées avec les stations de qualité de l'air mesurant déjà CO et NOx, deux polluants co-émis avec le CO2 par la combustion des carburants, suivant des rapports caractéristiques du type d'émission considéré. La combinaison des mesures de CO2, CO et NOx permettra d'identifier la contribution des secteurs d'émission (trafic, résidentiel, industrie) aux émissions totales de CO2. Les concentrations de CO2 mesurées dans la couche limite au-dessus de la ville avec des capteurs in-situ seront complétées par des mesures de colonnes totales de CO2 par télédétection depuis le sol. Ces mesures des gradients de CO2 entre l'amont et l'aval de MC apporteront une vérification indépendante des émissions de la ville, quand les capteurs in-situ renseignent sur la distribution spatiale et sectorielle des émissions de CO2. Les mesures seront comparées aux simulations d'un modèle de transport 3D haute résolution prescrit par des cartes d'émissions de CO2 à l'échelle de la ville. La comparaison des simulations et des mesures permettra d'abord d'identifier les processus clés de transport atmosphérique, et de possibles hot spot d'émissions. Cette étape nous indiquera les conditions pour lesquelles le modèle performe suffisamment bien pour être utilisé dans une modélisation inverse. L'inversion des gradients de CO2 par une méthode analytique bayésienne permettra alors une estimation indépendante des émissions de MC, qui sera comparée à l'inventaire statistique. Les mesures de colonne de CO2 entre deux sites situés en amont et en aval de la ville fourniront une vérification des sources à l'échelle de la ville. La recherche proposée par MERCI-CO2 vise à réduire les incertitudes sur les émissions de CO2 de MC, et fournir des informations qui seront prises en compte par les partenaires mexicains. Ce projet bénéficie grandement de l'infrastructure de mesure des polluants existante à MC et du fort intérêt et de l'implication des partenaires mexicains.

L'épuisement irréversible des sources traditionnelles de combustibles fossiles associé à l'accumulation de gaz à effet de serre produits par leur combustion sont une incitation à développer des formes alternatives de sources éco-responsables de carbone réduit pour la production de carburants et de produits chimiques nécessaires à notre société. Les microorganismes phototrophes sont considérés comme prometteurs pour le développement de concepts innovants basés sur leur capacité inhérente à fixer le CO2, produisant ainsi diverses molécules organiques par un procédé durable dépendant de la lumière du soleil. Pour permettre à ces microorganismes de devenir des usines cellulaires efficaces pour la production biotechnologique commercialement viable et durable de produits chimiques, un défi majeur est d'améliorer leur métabolisme photoautotrophe d’assimilation du carbone. Jusqu'à présent, les stratégies d'ingénierie métabolique ont principalement porté sur la réorientation du carbone assimilé vers la production de produits chimiques spécifiques (par exemple des alcools ou des lipides), alors que la tâche difficile consistant à améliorer le processus photosynthétique en optimisant la fixation du carbone n'a pas encore été menée de manière aussi agressive. Tel est l'objectif du projet CalvinDesign. Des pertes d'énergie importantes au cours de la photosynthèse peuvent être directement attribuées à des goulets d'étranglement cinétiques au sein du cycle de Calvin-Benson (CBC), fixateur de CO2. De nombreuses possibilités existent pour améliorer l'efficacité du CBC, au moins en changeant l'abondance des enzymes clés. L'objectif du projet CalvinDesign est de combiner la biologie des systèmes (protéomique, métabolomique) et la biologie synthétique (ingénierie génétique et métabolique, reconstitution de voies métaboliques, méthodologie Design/Built/Test) pour développer des souches de microalgues et cyanobactéries très efficace pour la fixation CO2. Ce projet se concentre sur les modèles les mieux caractérisés de microorganismes photosynthétiques, la cyanobactérie Synechocystis PCC6803 et la microalgue verte eucaryote Chlamydomonas reinhardtii. L’originalité de ce projet est d'appliquer les principes et les méthodes de la biologie synthétique pour relever le défi que constitue l’amélioration de la fixation du carbone chez les microorganismes photosynthétiques. La conception des voies métaboliques (Design) visera à lever des goulets d'étranglement limitant le CBC qui ont soit déjà été suggérés (SBPase, Rubisco, enzymes TRX-dépendantes), ou seront identifiés au cours de CalvinDesign par des approches de biologie des systèmes (phase de test) ou par le biais de la reconstitution métabolique in vitro. En effet, nous allons assembler un CBC synthétique acellulaire permettant des tester rapides des combinaisons d'enzymes plus efficaces. Les principaux goulets d'étranglement seront débloqués par ingénierie métabolique en utilisant des outils moléculaires puissants. Les souches seront caractérisés dans des conditions variables, y compris des conditions industriellement pertinentes, pour générer de nouvelles connaissances pour un nouveau cycle d'analyse le long du Cycle classique «Design, Build, Test & Learn". L'objectif du projet CalvinDesign est d'initier le cycle en effectuant au moins deux itérations, générant de nouvelles connaissances sur le CBC, ainsi que de nouvelles souches. Ces souches seront testées pour valider leur gain global en termes d’efficacité photosynthétique et de fixation de CO2. Les souches générées par le projet CalvinDesign constitueront des châssis microbiens uniques pour une production accrue de produits chimiques carbonés (alcools, alcanes, lipides, sucres, pigments, terpènes, etc.). Ces souches synthétiques hautement efficaces seront d’un intérêt industriel et commercial et offriront offrira un grand potentiel pour coupler la protection environnementale, la transition énergétique et la croissance bioéconomique.

La photo dissociation de l’eau représente un enjeu majeur dans le développement de sources d’énergie propre basées sur la formation d’hydrogène moléculaire. Le contrôle et l’optimisation de cette réaction est l’un des objectifs essentiels pour les recherches sur les énergies renouvelables. Dissocier une molécule d’eau lors d’une réaction radicalaire photo induite dans des systèmes moléculaires organiques simples vient d’être prédit théoriquement et confirmé par des expériences préliminaires. Ces réactions radicalaires sont néanmoins différentes de celles normalement envisagées dans le processus de dissociation de l’eau puisqu’elles font intervenir un hydrogène et non un proton. C’est pour cette raison qu’elle représente un nouveau paradigme pour la production d’hydrogène moléculaire lors de la dissociation de l’eau. L’un des défis à relever est de comprendre, contrôler et diminuer le processus de recombinaison de l’hydrogène photo induit. Cette nouvelle réaction radicalaire doit maintenant être étudiée en détail. C’est l’enjeu du projet WSplit qui s’articule autour de techniques théoriques et expérimentales de pointes. Ce projet repose sur l’expertise de trois groupes de recherche, deux expérimentales et un théorique. Les nombreux moyens techniques complémentaires mis en œuvre, simulations numériques et expériences de spectroscopie laser résolues en temps et en énergie, offrent une opportunité unique d’étudier les processus physico-chimiques de cette réaction photo induite dans des agrégats moléculaires nanosolvatés. Les enjeux de ce projet sont : • De développer et d’utiliser des méthodes théoriques et expérimentales pour caractériser la dynamique de la réaction dans les agrégats de pyridine hydratés dont la stœchiométrie est connue et contrôlée. • D’utiliser ces premiers résultats pour comprendre et contrôler la recombinaison de l’hydrogène photo produit. • De rechercher de nouveaux chromophores moléculaires capables de générer cette réaction radicalaire. Le choix des systèmes étudiés est basé sur les résultats préliminaires de travaux théoriques et expérimentaux. Les résultats expérimentaux nouveaux qui seront obtenus permettront une caractérisation précise en termes de structure et stœchiométrie des agrégats afin d’être directement comparés aux simulations théoriques. Les travaux théoriques portent sur deux parties : développements méthodologiques et simulations. Pour la partie méthode, un nouveau programme de dynamique moléculaire mixte quantique/classique, basé sur l’échantillonnage d’évènements rares et d’algorithme d’apprentissage, permettra de prendre en compte le passage par effet tunnel lors de la réaction. Cette méthode sera appliquée à l’étude des dynamiques non adiabatique dans les agrégats Pyk(H2O)n (k=1,2 ; n=1-3). Les travaux expérimentaux reposent aussi sur deux axes : étude spectroscopique des processus photo chimiques et dynamique résolue en temps. Les études résolues en temps permettront de suivre la dynamique de la réaction de photo dissociation de l’eau. La seconde tâche sera axée sur les études spectroscopiques pour caractériser le rôle du radical OH dans la réaction, pour contrôler la stabilisation de la liaison NH dans le radical pyridinique et de rechercher d’autres chromophores organiques susceptibles de déclencher la réaction de photo dissociation de l’eau. Le projet WSplit, d’une durée de trois ans, repose sur une recherche fondamentale. C’est une première étape essentielle dans l’optique de développer un programme de recherche ambitieux sur la production d’hydrogène moléculaire photo induite catalysée par des chromophores organiques. L’achèvement de ce projet de recherche fondamentale ouvrira la voie vers des recherches plus appliquées et offrira l’opportunité de répondre aux appels d’offre de la commission européenne « Future and Emerging Technologies », Horizon 2020.

Les déchets organiques solides sont une ressource prometteuse pour la production de biocarburants et synthons par des bioprocédés anaérobies. Cependant, leur matrice complexe, hétérogène et variable dans le temps rend leur valorisation complexe : la bioraffinerie des déchets est en phase de recherche exploratoire. Pour orienter les voies de fermentation et établir des procédés stables, de nouveaux leviers opérationnels sont nécessaires. Aussi, les virus de microorganismes pourraient servir de base au développement d’outils de biocontrôle ciblant spécifiquement certains groupes fonctionnels microbiens. Dans d’autres domaines (médical, agro-alimentaire, épuration des eaux usées), des virus sont en effet déjà utilisés ou considérés dans une optique de biocontrôle. Concernant la bioraffinerie des déchets, les archées méthanogènes nuisent à la production de molécules à plus haute valeur ajoutée que le méthane mais leurs virus sont encore peu connus, si bien que le développement de telles stratégies de biocontrôle n’est aujourd’hui pas possible. Le projet VIRAME vise donc à caractériser in situ le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes dans les bioprocédés anaérobies de valorisation des déchets organiques. Etablir le lien entre un virus et l’identité de son hôte au sein d’écosystèmes complexes est un défi puisqu’ils ne partagent pas toujours de gènes. Pour lever ce verrou, le lien entre voies de méthanogénèse actives, archées les catalysant et contenu génomique des virus infectant ces archées sera établi grâce à une approche intégrée originale couplant des techniques de pointe en écologie moléculaire (méta-omiques, isotopie, en particulier « Stable isotope probing » SIP) et des analyses in silico classiques (génomique comparative) et spécifiques (analyse de CRISPR spacers, de provirus, composition en kmers). Le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes sera étudié au sein de microcosmes répliqués et des métaviromes de méthaniseurs de déchets seront également comparés à ceux des microcosmes. La diversité des familles virales et les gènes dont les fonctions sont liées au cycle de vie des virus et à l’écophysiologie des archées méthanogènes seront notamment examinés. Sur le plan expérimental, des conditions spécifiques et l’utilisation de divers substrats carbonés, marqués ou non au 13C, permettront d’activer sélectivement différentes voies de méthanogenèse puis d’identifier virus et cellules ayant incorporé du 13C. Des inocula issus de méthaniseurs industriels seront employés. L’équipe d’origine du coordinateur a déjà accumulé et publié des données mettant en évidence l’incorporation de substrats marqués au 13C par les archées méthanogènes, dans des microcosmes inoculés avec de telles biomasses et similaires à ceux qui seront établis pour ce projet. L’approche intégrée originale, incluant le SIP appliqué aux acides nucléiques viraux, contribue à lever un verrou important en écologie microbienne, établir le lien entre un virus et son hôte. Les connaissances générées sur la diversité génomique des virus d’archées méthanogènes participeront de plus à une meilleure compréhension de l’histoire évolutive des virus et leurs hôtes. Les résultats seront d’intérêt général pour l’amélioration des bioprocédés de méthanisation, en plein essor : les virus des méthanogènes ont certainement un effet important sur les flux de matières et sur la dynamique des méthanogènes, un groupe fonctionnel clé. Concernant les applications de bioraffinerie, le projet VIRAME vise à proposer des stratégies innovantes de biocontrôle des archées méthanogènes par les virus, en s’inspirant des domaines les plus avancés (médecine) et en imaginant, grâce aux résultats du projet, une transposition au domaine des bioprocédés. Le méthane étant un gaz à effet de serre puissant, le biocontrôle des méthanogènes offre de larges perspectives d’application (ex : mitigation des émissions de méthane par les ruminants) et peut avoir un fort impact environnemental.

L'évolution des besoins énergétiques, dus à l'augmentation des applications électriques et de la consommation électrique, ainsi qu’à la diversification des technologies liées au développement des énergies renouvelables, nécessite de modifier les méthodes de transport, de distribution et de gestion de l'énergie (smart-grid, HVDC, ...). Dans ce contexte, l'émergence de dispositifs de puissance fonctionnant en environnement sévères (haute tension, haute fréquence, haute température, radaitions, ...) devrait répondre au besoin pour faire évoluer le réseau électrique actuel vers le réseau de distribution énergétique du futur. Par exemple, il est indispensable d’adapter les technologies de convertisseur de puissance et de modifier les interrupteurs à base de semiconducteurs pour qu’ils supportent des tensions bien supérieures à 10 kV. Les propriétés électroniques et électrothermiques des semiconducteurs à large bande interdite (WBG) permettent de fabriquer des composants de puissance qui fonctionnent à haute tension, haute fréquence et haute température. Ces dernières années, plusieurs composants de puissance innovants à base de WBG ont été proposés et commercialisés. Les plus connus sont le MOSFET SiC (Wolfspeed) et le HEMT GaN (EPC, GaN System). L'intérêt des matériaux WBG est dedépasser la limite du compromis "résistance spécifique à l’état passant / tension de claquage" des dispositifs de puissance conventionnels silicium. Dans un tel contexte, le Diamant est le candidat idéal pour répondre à plusieurs des problèmes susmentionnés. Ses propriétés électriques (largeur de bande interdite, conductivité thermique, mobilité des porteurs, champ électrique critique) sont sans aucun doute les plus élevées des WBG. Cependant, le diamant est, pour le moment, un matériau technologiquement moins mature. Le but ambitieux du projet MOVeToDiam est de créer une percée technologique majeure en développant des étapes technologiques cruciales dans la filière « Diamant » pour concevoir et fabriquer la prochaine génération de composants de puissance fonctionnant à 300 ° C : un MOSFET vertical à canal p et à grille en U (Diam-UpMOSFET), ainsi qu’une diode très haute tension TMBS (Trench MOS Barrier Schottky). La démonstration de la faisabilité de ces dispositifs « Diamant » nécessite une recherche fondamentale avec un fort potentiel de rupture technologique telles que l'empilement de couches de diamant de types n et p, les contacts ohmiques faiblement résistifs sur les deux types de diamant, le contrôle de l'interface diamant/diélectrique et la gravure de tranchée parfaitement verticale. De tels défis peuvent être relevés grâce à l'expertise internationale et à la complémentarité de 4 laboratoires universitaires, à savoir LSPM, GEMaC, AMPERE, et LAAS, ainsi que de la société IBS, dans le développement de briques technologiques spécifiques au matériau Diamant. Le MOSFET de puissance vertical à canal p et la diode TMBS à base de diamant monocristallin permettront d'obtenir des modules de puissance de faibles poids, intégrés et à haut rendement, fonctionnant à haute fréquence. Ces systèmes seront utilisés dans les transports électriques et les réseaux énergétiques intelligents, principaux domaines d'intérêt du développement durable. Ces recherches permettraient à la France d'être le leader dans le domaine des composants de puissance Diamant pour les applications très haute tension

Le développement de l'énergie verte s’est intensifié ces dernières années et est actuellement d'une importance cruciale pour nos sociétés. En raison de l'effet de serre dont l'impact semble de plus en plus présent dans notre vie de tous les jours, les politiques pour le développement des énergies décarbonnées sont devenues centrales pour de nombreux états du monde entier. Néanmoins, la demande d'énergie à l’échelle du térawatt reste forte et augmentera dans un avenir proche. La production d'énergie basée sur un mix énergétique motive alors le développement et la production de cellules solaires avec des rendements de conversion photovoltaïque (PV) de plus en plus élevés. Différentes approches pour le développement de cellules solaires PV performantes ont été étudiées comme les cellules tandem III-V ou les cellules à base de séléniures de cuivre et d’indium. Cette dernière voie est l'une des alternatives les plus compétitives par rapport à la technologie industrielle actuellement dominante du silicium cristallin. Ces cellules solaires nécessitent néanmoins l’utilisation d’indium et de gallium. Une versatilité importante du prix de l'indium au cours des dernières années a conduit à une inquiétude considérable compte tenu de leurs rôles dans un large éventail de dispositifs électroniques à grande échelle, y compris les cellules solaires. En outre, dans le cas de cellules tandem III-V, l'utilisation de l'épitaxie pour la croissance des matériaux demeure coûteuse et limitante pour la fabrication de cellules à grande échelle. Il est donc important d'étudier et de développer de nouveaux matériaux sans indium/gallium aux propriétés optimisées pour la réalisation à bas coût et à l’aide de techniques simples de cellules solaires tandem silicium de grandes surfaces. Le projet OPERA vise à développer un nouveau type d’absorbeur nitrure non toxique, sans indium ni gallium, utilisant des matières premières abondantes sur terre et à faible coût de production, et à réaliser des cellules tests utilisant ces nitrures via une technique de dépôt (pulvérisation) compatible avec des réalisations larges échelles. Il s’agit d’un objectif ambitieux qui permettra un pas en avant important dans le domaine de l'énergie solaire silicium. Chaque étape intermédiaire du projet permettra d’apporter de nouvelles connaissances, en particulier sur la réalisation d’une cellule solaire nitrure et sur les propriétés fondamentales des matériaux étudiés et de leurs interfaces. La famille des alliages Zn-IV-N2 est prometteuse car elle permettrait de couvrir largement le spectre solaire. Les données concernant l’alliage ZnSnN2 restent rares. L'intérêt de cet alliage pour le PV s’est néanmoins accru ces deux dernières années, mais de nombreux efforts doivent être faits pour mieux comprendre les propriétés fondamentales de ce matériau. Le projet OPERA regroupe quatre laboratoires possédant différentes spécialités et compétences complémentaires: L'Institut Jean Lamour - Université de Lorraine - France, un institut dédié aux sciences des matériaux. L'Institut d'Electronique Microélectronique et de Nanotechnologie - Université de Lille, un institut avec des compétences en science des matériaux ainsi qu’en cellules solaires. Institut National de l'Energie Solaire - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives: INES, un institut français bien connu dédié au développement de nouvelles technologies solaires et à leurs transferts vers l'industrie. Le laboratoire de Génie Electrique de Paris, membre fondateur de l’Institut Photovoltaïque d’Ile de France, et spécialisé dans les caractérisations avancées des matériaux pour le solaire.

Aujourd'hui et dans les années à venir, le développement des batteries à haute performance, sûre et à faible coût est la clé pour l'expansion des industries et des marchés importants tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables. La technologie de batterie au lithium-métal polymère (LMP) est sans doute la plus attrayante. Le lithium métal est l’anode de choix avec sa capacité spécifique 10 fois plus élevée que celle utilisée dans les batteries Li-ion, pour produire des batteries de très haute densité d’énergie. De plus, le lithium métal est le seul choix pour profiter des capacités élevées des positives des technologies lithium-air et lithium-soufre. Cependant, les électrolytes polymères secs ne fonctionnent qu’à 80°C, une température où les propriétés mécaniques sont insuffisantes et leur fenêtre de stabilité électrochimique est limitée. De plus, comme pour les électrolytes liquides, la fraction de charge portée par Li+ est faible (t+< 0.2), ce qui limite les performances électriques. Dans ce contexte, le principal objectif de notre projet est de développer une batterie LMP capable de fonctionner à température ambiante sur un grand nombre de cycles (> 1000). Pour atteindre cet objectif, nous proposons une approche multidisciplinaire réunissant différentes compétences dans les domaines de chimie organique et polymère, de matériaux hybrides, de transport des ions, d’électrochimie et de stockage électrochimique pour concevoir un électrolyte solide multifonctionnel « révolutionnaire ». Cet électrolyte réunit les différentes propriétés antagonistes telles que une conductivité ionique élevée à température ambiante, des propriétés mécaniques élevées, une grande stabilité électrochimique des interfaces. Le projet SELPHy est donc consacré à : • La fonctionnalisation de la surface des nanocharges (POSS, silice colloidale, nanofibres de cellulose) avec les courtes chaines de POE amorphe et/ou avec le sel de lithium à base de l’anion TFSI • La formulation des électrolytes hybrides auto-dopés par le mélange de nanocharges fonctionalisées avec une matrice conducteur d’ion Li+ (par exemple les polyoxyéthylène réticulé). • La caractérisation approfondie des électrolytes nanohybrides préparés qui comprend la dispersion des nanocharges dans la matrice de polymère, la dynamique (macro)moléculaire et les propriétés macroscopiques (transport et mécanique). Ces caractérisations permettent d’établir la relation entre la structure/composition et les propriétés macroscopiques. • La construction un prototype de batterie LMP pour quantifier les nouveaux électrolytes nanohybrides. Nous sommes totalement confiance que les électrolytes hybrides auto-dopés proposés auront : i) une valeur de tLi+ proche de 1 parce que l’anion est greffé de manière covalente aux nanocharges. Li+ est le seul ion mobile dans le milieu. ii) une conductivité ionique élevée (par exemple =10-4 S/cm à température ambiante) grâce aux mobilités élevées des chaines courtes de POE greffées à la surface de nanochrages ainsi qu’à l’emploi d’un sel lithium hautement dissocié. iii) des propriétés mécaniques suffisantes pour contrer la croissance dendritique grâce au rôle de renfort des nanocharges et au réseau réticulé de la matrice conducteur d’ion iv) une stabilité électrochimique élevée jusqu’à 5V vs Li+/Li (potentiel nécessaire pour utiliser les matériaux actifs de haut potentiel dans l’assemblage de la batterie) du fait du greffage de l’anion. v) une stabilité thermique améliorée pour la sécurité grâce à la présence de nanocharges, en particulier les POSS. SELPHy est un projet de recherche collaborative reposé sur un réseau interdisciplinaire de partenaires rassemblant des compétences dans les domaines de la chimie, physique et électrochimie.

L'électrolyse de l'eau est potentiellement l'un des procédés de production d'hydrogène les plus respectueux de l'environnement. Cependant, le déploiement à grande échelle des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons sera ralenti dans un avenir proche par des ressources limitées en iridium (IrO2 est le catalyseur conventionnel utilisé à l'anode pour l'oxydation de l'eau en oxygène moléculaire). Par conséquent, l'objectif du projet MOISE est de diminuer d’un facteur 5, par rapport à l'état de l'art, la quantité d'Ir nécessaire à la réaction de production d'oxygène, en améliorant l'activité massique des anodes PEM. Une telle évolution participera au développement de l'électrolyse de l'eau basse température (PEM) à un coût acceptable sans baisse de rendement, pour la production massive d'hydrogène. Pour atteindre cet objectif ambitieux, notre stratégie consiste à remplacer les particules d’IrO2 classiquement utilisées par des nanoparticules d’IrO2 ou des nanoparticules de type cœur-coquille (cœur métallique d’un élément de métal de transition et coquille riche en Ir), déposées sur un support de conductivité électronique et stabilité électrochimique élevées, présentant une morphologie appropriée : le dioxyde d'étain dopé poreux. La nouveauté viendra de notre capacité à élaborer ce support de catalyseur avec deux microstructures différentes et innovantes qui seront « mises en concurrence » : des aérogels et des nanofibres/tubes. Différentes innovations et améliorations découleront de ce projet: (i) élaboration de supports de catalyseur de composition et de morphologie appropriées; (ii) développement de procédés optimisés pour le dépôt de dioxyde d'iridium sur ces supports; (iii) formulation d'une encre appropriée; (iv) fabrication d'assemblages membrane-électrodes optimisés. Après optimisation et validation (en termes de performance initiale et de durabilité), ces matériaux innovants seront testés en petit stack dans des conditions d'application réelles dans l’optique de leur commercialisation.

Le projet OXYGENE vise à développer une nouvelle génération de cellules photovoltaïques (PV) en silicium cristallin (c-Si) à homojonctions (HMJ) pour atteindre des rendements de conversion = 23% sur grande surface. La technologie HMJ représente aujourd’hui la grande majorité de la production au niveau mondial, et son amélioration repose sur deux axes principaux : 1/ L’utilisation de contacts dits « passivés » sur jonctions ultra-minces, afin de réduire les pertes par recombinaisons des porteurs de charge dans les zones dopées et à l’interface métal/silicium. 2/ La bi-facialité des dispositifs, permettant d’améliorer la production d’électricité par rapport à des cellules standard. Afin de répondre à ces deux enjeux, le projet OXYGENE est focalisé sur l’étude d’oxydes fonctionnalisés qui permettront d’atteindre des contacts passivés, transparents, avec des procédés industriels. Des équipements français semi-industriels seront ainsi utilisés: des dépôts par ALD (Atomic Layer Deposition) d’oxydes fonctionnalisés (passivants et conducteurs) d’une part, le dopage des jonctions ultra-minces en implantation ionique par immersion plasma (PIII) d’autre part. Le projet OXYGENE permettra donc d’explorer différentes voies pour obtenir des contacts passivés ET transparents, afin d’obtenir des cellules PV bi-faciales à haut rendement (= 23%) innovantes et industrialisables. Le projet OXYGENE sera organisé en 7 Tâches distinctes et implique 6 partenaires (CEA-LITEN INES, INL, GEEPS-IPVF, LMGP, IMEP LAHC, ENCAPSULIX). Chaque partenaire du projet sera responsable d’une tâche et veillera donc au bon déroulement du programme de travail associé. Une première tâche est dédiée à la coordination du projet et la valorisation des résultats obtenus. Trois tâches (T4, T5, et T6) sont dédiées au développement des briques technologiques nécessaire à l’obtention de cellules de seconde génération. Les études de modélisations et caractérisations nécessaires à l’ensemble des travaux font l’objet de deux autres tâches (T2 et T3). Enfin, l’ensemble des avancées seront transférées et validées sur des procédés de dépôt industriels par l’entreprise Encapsulix dans la tâche 7. Ce projet aura différents impacts, au niveau sociétal pour commencer, avec l’amélioration des outils de production d’électricité renouvelable qui est incontournable pour répondre aux problématiques de l’accès à l’énergie et du réchauffement climatique. La réussite de ce projet ambitieux par ses objectifs permettra de mettre en valeur la recherche et des entreprises françaises en Europe et dans le monde. Au niveau scientifique, deux technologies seront mises en valeur dans ce projet. La première, développée par Encapsulix et basée sur l’ALD, sera utilisée pour la fabrication des électrodes innovantes du projet. La deuxième est l’implantation par immersion plasma (PIII), qui permet de réaliser des jonctions ultra-minces. Dans cette perspective, le LHMJ du CEA/LITEN vient d’acquérir le tout premier équipement industriel de PIII dédié au photovoltaïque, développé par l’équipementier français IBS (Ion Beam Service). Les retombées de ce projet seront donc importantes à différents niveaux, d’abord en termes de valorisation par des publications scientifiques, dépôts de brevets et communications des partenaires industriels. Ensuite, la collaboration entre les différents partenaires dans le domaine des contacts passivés et des oxydes fonctionnalisés pour le PV, avec les caractérisations associées, permettra de mettre en commun des connaissances et des équipements scientifiques de haut niveau. Au niveau économique, la technologie développée par Encapsulix sera ainsi testée et valorisé pour la fabrication de cellules solaires innovantes ainsi que le bâti d’implantation par immersion plasma Pulsion Solar de l’équipementier français IBS.

Dans les zones urbaines, la part de l’énergie électrique consommée pour l’approvisionnement en eau et l’assainissement peut atteindre jusqu’à 18%. Au sein des stations d’épuration, l’aération des bassins biologiques pour le traitement de la matière organique et azotée demeure le principal poste de consommation énergétique (jusqu’à 75% de la dépense électrique générale de la station). Aussi, le développement d’alternatives aux procédés conventionnels est essentiel afin de réduire l’impact environnemental de ces unités de traitement. Dans cet objectif, les procédés électro-microbiens représentent une technologie d’avenir pour le traitement et la valorisation des déchets, basée sur la catalyse de réactions électrochimiques par des biofilms microbiens à la surface d’électrodes. Parmi ces technologies, le tuba électro-microbien (BIOTUBA) se distingue des autres par une mise en œuvre plus simple qui permet d’envisager à court-terme son implantation dans les filières existantes. Il consiste à mettre une bio-anode et une (bio-)cathode en court-circuit en disposant un matériau conducteur le long d’un gradient d’oxydo-réduction. Les performances de dégradation de la matière organique s’avèrent améliorées et des économies d’énergie substantielles peuvent être envisagées du fait de la diminution des besoins en aération. De plus, l’implantation de cette technologie pourrait répondre à d’autres enjeux du traitement des eaux (contrôle de procédés, réduction de la production de boues et traitement des micropolluants). Un certain nombre de verrous scientifiques et techniques restent à lever avant d’envisager l’implantation de telles technologies à l’échelle industrielle. Le coût des électrodes, due aux matériaux utilisés pour leur conception, est notamment un frein au changement d’échelle. De plus, des recherches doivent être menées afin de permettre la compréhension et d’envisager l’optimisation des tuba électro-microbiens en précisant à la fois les processus électrochimiques et microbiens régissant les performances de cette technologie. Le projet BIOTUBA a pour objectif de lever les verrous scientifiques et techniques liés à l’implantation de la technologie de tuba électro-microbien à l’échelle industrielle par le biais d’une approche transdisciplinaire et multi-échelle. Le programme scientifique du projet est divisé en trois tâches principales : (i) Réalisation d’études à l’échelle laboratoire pour comprendre et optimiser le fonctionnement du BIOTUBA en se focalisant sur l’utilisation de matériaux recyclés à faible coûts et de l’application à des matrices réelles (WP1) ; (ii) Développement et l’utilisation des outils de modélisation pour le dimensionnement des électrodes le constituant et de leurs implantations dans les réacteurs industriels (WP2) ; (iii) Caractérisation de l’ensemble des impacts énergétiques et environnementaux liés à l’implantation de cette technologie par le couplage d’une analyse de cycle de vie et d’expérimentations à l’échelle semi-industrielle (WP3). Le développement du BIOTUBA sera basé sur la connaissance précise des mécanismes électrochimiques et biologiques mis-en-jeu afin d’optimiser son fonctionnement et le maintien de ses performances au cours du temps. La mise en œuvre à l’échelle semi-industrielle permettra de caractériser son comportement et les impacts induits à une échelle représentative et ainsi de valider les choix technologiques. La valorisation économique sera supportée par 6TMIC, partenaire du projet. Le projet rassemble un institut de recherche appliquée (Irstea-HBAN), un laboratoire universitaire (LGC), l’entreprise industrielle publique de gestion et traitement des eaux résiduaires urbaines de l’agglomération parisienne (SIAAP) et une PME spécialisée dans le développement de procédés innovants et le transfert de technologie (6TMIC).

ALCACAT réunit deux équipes complémentaires de l’Université de Rennes 1 (Dr. Y. Sarazin (coordinateur), Prof. J.-F. Carpentier, DR. E. Caytan) et de l’Université Paris-Sud à Orsay (Prof. V. Gandon, Dr. C. Bour, Dr. D. Leboeuf). Le projet est centré sur l’ingénierie catalytique au travers de la chimie de coordination des métaux alcalino-terreux larges (Ae, où Ae = calcium, strontium et baryum) et la fonctionnalisation des liaisons Csp3–O en catalyse homogène. Le but est à terme de produire des composés de chimie fine à partir d’une famille de réactions clés : le couplage de–alcools avec les acides boriniques, la synthèse de cyclopentenones et de pyrroles, la synthèse totale de santarubin A, et la dépolymérisation de la lignine. L’une des premières ambitions est de synthétiser des composés alcalino-terreux de types nouveaux, par exemple des complexes cationiques et des hydrures, dont on peut s’attendre à ce qu’ils soient très réactifs. Ils seront ensuite utilisés comme catalyseurs pour des procédés catalytiques dans lesquels la fonctionnalisation de liaisons Csp3–O est une étape clé vers la formation de produits à haute valeur ajoutée. Pour les réactions ciblées, des catalyseurs moléculaires (homogènes) spécifiques à l’acidité de Lewis facilement modulable seront également conçus. Ceci constituera un point d’entrée pratique et aux multiples avantages pour les différentes études en catalyse qui seront effectuées au cours du projet. Une multiplicité de stratégies de synthèse originales et indépendantes les unes des autres (toutes faisant appel aux compétences spécifiques de l’équipe rennaise) seront développées pour compléter avec succès les synthèses des différents catalyseurs, permettant ainsi de s’assurer que le projet n’atteigne jamais un point mort. Ensuite, concernant les aspects catalytiques, les quatre ensembles de réactions qui seront étudiées en détails par l’équipe d’Orsay impliquent toutes la fonctionnalisation de liaisons Csp3–O, et sont d’intérêt industriel et académique majeur. Il est en outre envisageable qu’elles conduiront à la formation de nouveaux processus et produits commercialisables. Ces réactions mettront en jeu la réactivité spécifique des catalyseurs alcalino-terreux à l’acidité de Lewis modulable. La diversité des différents types de catalyseurs indépendants qui seront utilisés pour ces études garantit les meilleures chances de succès. Les deux équipes, qui apporteront et combineront avantageusement leurs savoir-faire spécifiques pour garantir le succès d’ALCACAT, travailleront conjointement de manière collaborative et synergique. Le partenaire rennais a une large expérience dans le design et l’utilisation de catalyseurs homogènes, en particulier avec les métaux alcalino-terreux. L’équipe d’Orsay est reconnue pour ses compétences dans la conception et l’étude de processus catalytiques originaux, catalysés en particulier par des complexes et des sels des métaux du groupe principal. Les recrutements d’un doctorant (à Rennes) et d’un chercheur postdoc (à Orsay), pour une enveloppe financière globale de 380,000 € (frais d’environnement inclus) sont requis pour ce projet de 42 mois. Il est à noter que des stages du doctorant et du postdoc dans les laboratoires des autres partenaires constitueront une partie intégrale du projet, de façon à optimiser la synergie et le transfert de compétences entre les deux partenaires et ainsi maximiser les chances d’accomplir les objectifs scientifiques.

La production de molécules à haute valeur ajoutée à partir de ressources biologiques implique souvent la transformation chimique des matières biosourcées, afin de permettre leur conjugaison à une plateforme moléculaire ou un médicament. L’apparition de techniques de conjugaison bioorthogonales et de l’ingénierie métabolique de glycanes offre de nouvelles opportunités d’élaboration de polysaccharides pour diverses applications industrielles. Ce projet interdisciplinaire vise à établir une preuve de concept utilisant l’ingénierie métabolique de lipopolysaccharides. Cette méthode de marquage bactérien, que nous avons récemment développée, consiste en la mise en culture de bactéries en présence de sucres modifiés, comme l’acide 8-azido-3,8-didésoxy-D-manno-oct-2-ulosonique, conduisant à l’incorporation de ces sucres lors de la biosynthèse des polysaccharides de surface. Cette approche sera exploitée comme stratégie simple et rapide de production de nouveaux vaccins glycoconjugués bien définis ciblant le choléra, une maladie qui demeure une préoccupation sanitaire majeure et pourra être étendue à d’autres bactéries pathogènes telles que Klebsiella et Pseudomonas.

L'hydrogénation de sucres en polyols est le plus souvent menée sur des métaux nobles comme le ruthénium ou sur le nickel de Raney, et peu de travaux rapportent l’utilisation de métaux non nobles supportés. Or le cout des métaux nobles est élevé, leur abondance est faible, et à la fois leur cout et leur disponibilité sont sujets à de larges fluctuations. Des substituts aux métaux nobles devraient être trouvés dans la première ligne des métaux de transition, métaux particulièrement abondants et bon marché, mais susceptibles de se désactiver sous réaction ou, comme le nickel, d’induire des réactions secondaires d'hydrogénolyse. Dans ce contexte, le potentiel de combinaisons bimétalliques à base de fer mérite d'être pleinement exploré. Cependant, la balance hydrogénation/hydrogénolyse du catalyseur n'est pas simplement gouvernée par le ratio entre les deux métaux, mais aussi par leur degré d'association, i.e., en alliage ou ségrégés, un point crucial à prendre en compte pour un métal fortement sensible à l'oxydation comme Fe. La possibilité de synthétiser des nanoparticules bimétalliques à base de Fe de façon contrôlée apparaît limitée lorsque le catalyseur est préparé selon des méthodes standard, qui mènent à la coexistence de particules différant par leur taille, leur structure ou leur composition. En conséquence, aucune conclusion définitive ne peut actuellement relier la formulation et les propriétés catalytiques de systèmes à base de Fe, faute d'un contrôle efficace de la nature des particules à l'échelle nanométrique, conduisant à des difficultés d'interprétation, de reproductibilité, d'extrapolation et de rationalisation des résultats de catalyse. Le projet NobleFreeCat regroupe quatre équipes universitaires avec des expertises complémentaires en synthèse de nanoparticules métalliques et catalyse (Unité de Catalyse et Chimie du Solide, Laboratoire de Chimie de Coordination, Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers, Laboratoire de Chimie Physique), pour développer des voies de synthèse extrapolables à grande échelle de nanoparticules supportées à base de Fe de taille, composition et ordre chimique contrôlés, pour être utilisées comme substituts peu onéreux aux métaux nobles dans l'hydrogénation catalytique des sucres. Trois systèmes dont l'activité en hydrogénation sélective a été récemment décrite dans la littérature seront explorés: Fe-Ni, Fe-Cu et les composés intermétalliques Fe-Al. Des catalyseurs supportés sur silice et zircone seront préparés par dépôt-précipitation, imprégnation en présence d’additifs organiques et méthodes par radiolyse. Des systèmes alliages ou cœur-coquille préparés par voie organométallique ou mécanochimie seront utilisés comme standards pour la détermination de la stabilité des alliages, pour la caractérisation structurale des systèmes supportés et pour les tests catalytiques. L'hydrogénation d'un monosaccharide, le xylose, en xylitol, et celle d'un disaccharide, le maltose, en maltitol, peu abordée au niveau académique mais d'importance pour l'industrie, seront testées en milieu aqueux sous conditions hydrothermales et en eutectiques profonds en l'absence d'eau. Une combinaison unique de techniques de caractérisation (diffraction et absorption des rayons X en mode in situ, cartographie STEM-EDX et -EELS à l'échelle subnanométrique, XPS/LEIS, spectroscopie Mössbauer) sera mise en œuvre pour surmonter la difficulté de distinguer des éléments contrastant peu en Z et pour sonder la composition de volume et de surface des nanoparticules à l'échelle individuelle, tout au long de leur cycle d'utilisation: réduction, réaction, exposition à l'air, régénération du catalyseur. L'établissement de corrélations entre voie de synthèse, composition chimique et activité catalytique permettra au consortium de poser les jalons vers un processus de maturation technologique, aidé en cela par la participation de représentants du producteur sucrier Tereos dans le comité de pilotage du projet.

La Nature est capable d’assembler des briques élémentaires simples pour produire de la complexité moléculaire et générer des produits naturels hautement structurés. Deux exemples notables sont la chalcitrine et la sclérocitrine, des pigments isolés de champignons communs et représentant un défi de synthèse ambitieux. Les hypothèses de biosynthèse émises font intervenir la condensation d’une forme oxydée de l’acide xérocomique via une cascade réactionnelle complexe. L’objectif global de ce projet est de développer une synthèse de ces édifices moléculaires en se basant sur une stratégie complètement biomimétique. En prenant avantage d’une séquence courte pour préparer l’acide xérocomique, l’assemblage biomimétique sera la tache centrale de ce défi. Ce projet de recherche fondamental en synthèse organique sera de réaliser la synthèse de molécules hautement complexes et de comprendre leurs voies de biosynthèse et leurs rôles écologiques. Dans un contexte d’écologie chimique, identifier les intermédiaires biosynthétiques et de nouvelles structures complexes à partir d’extraits des champignons producteurs. Ce projet est à l’interface de la chimie de synthèse, la biosynthèse et l’identification de produits naturels et sera mené dans l’équipe BioCIS (UMR-8076, faculté de pharmacie, coordinateur : Laurent Evanno) de l’université Paris-Sud.

L’objectif principal de ce projet est de développer la synthèse de nouveaux complexes phosphorés photo-réversibles, pour des utilisations en catalyse. En particulier, nous étudierons des procédés catalytiques connus pour nécessiter une activation bimétallique. Nous souhaitons démontrer que la lumière peut induire des changements de géométrie de ces complexes, ce qui peut moduler ou même, dans le meilleur des cas, induire une activation/inhibition (on-off) de l’activité catalytique. Ces catalyseurs photo-commutables sont d’un très grand intérêt pour le développement de systèmes multi-catalytiques séquentiels, inspirés par les cascades catalytiques des procédés biologiques naturels. De plus, ces nouveaux catalyseurs bimétalliques pourront apporter de nouvelles informations mécanistiques dans le cas de réactions impliquant une double activation métallique coopérative.

En plus de ses fonctions clés dans la synthèse des protéines et dans la régulation des gènes, de nouvelles propriétés des ARN sont constamment découvertes. Pour comprendre la biologie des ARN, il est nécessaire de développer de nouvelles méthodologies de synthèse pour modifier leurs structures. Notre objectif concerne la mise au point de méthodologies post-synthétique pour bi-fonctionnaliser des ARN et obtenir ainsi des ARN réactifs ou comportant des sondes permettant leurs détections et leurs purifications. Les réactions chimiques que nous allons utiliser seront la ligation de « Staudinger traceless » et un couplage pallado-catalysé de Suzuki-Miyaura. Ces réactions donneront la possibilité d'obtenir une grande variété d'ARN bi-fonctionnels qui présenteront un large intérêt dans l’étude de la biologie des ARN. Dans le projet, ces ARNt fonctionnalisés seront utilisés pour explorer l’interaction des ARNt avec les amino-acyltransférases de la famille Fem, enzymes qui catalysent une étape essentielle de la synthèse du peptidoglycane de la paroi de Staphylococcus aureus. Chez cette bactérie pathogène, une chaîne latérale penta-glycine est assemblée par trois transférases qui ajoutent séquentiellement un (FmhB) ou deux (FemA and FemB) résidus Gly. Un premier objectif sera de synthétiser un analogue stable Gly-tRNAGly contenant un fluorophore à diverses positions des boucles D et T de l’ARN. La synthèse s’effectuera à partir d’un azido-ARN, qui réagira via la ligation de Staudinger traceless, avec une phosphine comportant le motif glycine pour former une liaison amide. L'introduction du fluorophore sera basée sur le couplage de Suzuki-Miyaura entre un iodo-ARN et un acide boronique lié au fluorophore. Le précurseur iodo-azido-ARN sera obtenu par chimie des nucléosides suivie d'une étape de synthèse sur support solide et d'une ligation enzymatique. Les ARNt bi-fonctionnalisés seront utilisés pour étudier le mode de reconnaissance des iso-accepteurs spécifiques des Gly-tRNAGly qui participent préférentiellement à la synthèse du peptidoglycane plutôt qu’à la synthèse protéique. Des données préliminaires suggèrent que l'utilisation préférentielle d'iso-accepteurs est due à des interactions spécifiques entre les boucles D/T des ARNt et le domaine coiled-coil de FmhB. Pour explorer ces interactions, un quencher de fluorescence sera introduit à différentes positions du coiled-coil de FmhB. Une diminution du signal de fluorescence de notre ARN bi-fonctionnalisé sera observée si le fluorophore dans la boucle D/T est à proximité du quencher porté par FmhB. Notre méthodologie de post-fonctionnalisation donnera la possibilité de modifier facilement la position du fluorophore et du quencher. Un test basé sur le quenching de fluorescence sera développé pour déterminer l'affinité de FmhB pour des ARN non-marqués. Pour une deuxième application, un motif électrophile sera introduit à l'extrémité 3' de l'ARNt pour générer des liaisons covalentes avec des résidus du site actif de FmhB. Cette approche permettra d’explorer la réactivité des résidus catalytique de FmhB et également de produire des complexes stables ARN-FmhB pour une utilisation en cristallogenèse. Les ARNt électrophiles seront également utilisés comme sondes pour identifier des protéines inconnues qui interagissent avec le substrat ARNt de FmhB, telles que des enzymes de maturation d'ARNt. Une dernière partie du projet concernera la processivité de la transférase FemA, c'est-à-dire la capacité de l'enzyme à ajouter deux résidus Gly. Nous avons envisagé trois modèles pour cette réaction incluant le transfert séquentiel de Gly à la chaîne latérale en croissance ou à l'assemblage d'un motif Gly-Gly sur l'ARNt ou sur FmhB avant le transfert au précurseur du peptidoglycane. Pour étudier ces modèles, nous allons générer divers analogues Gly-ARNt stables, en particulier un analogue de Gly-Gly-tRNAGly.

Les anti-UV est un immense marché dans l’industrie cosmétique du fait de leur capacité à nous protéger des dommages du soleil. Malheureusement, ils sont aujourd’hui décriés à cause de leur allergénicité et de leur toxicité vis-à-vis du système endocrinien de l’Homme et de la faune sauvage; les remplacer est donc une question de santé publique et de préservation environnementale. De plus, de par leur origine pétrolière, leur prix est extrêmement fluctuant, et leur dégradabilité limitée dans la Nature. Il existe donc aujourd’hui une forte demande industrielle et sociétale pour des technologies de pointe permettant la production d'alternatives renouvelables et plus sûres. Ceci nécessite de lever plusieurs verrous: (1) il faut des matières premières naturelles à faible coût et en quantité, (3) les anti-UV doivent avoir d’autres activités biologiques car l'autorisation de mise sur le marché des composés présentant uniquement des propriétés anti-UV est un processus long et couteux, (4) les molécules doivent être non toxiques pour les consommateurs et respectueuses de l'environnement, (5) les molécules doivent (i) posséder les propriétés physico-chimiques requises pour être efficacement incorporées dans la formulation cosmétique (balance hydrophile-lipophile HLB), et (ii) être photostables sur une période compatible avec la destination du cosmétique. SINAPUV s'appuie sur le travail pionnier de la Chaire ABI et ses partenaires de Purdue et Warwick qui ont démontré que le maléate de sinapoyle naturel présente une activité anti-UV élevée due à un mécanisme très particulier permettant l'absorption de toutes les longueurs d'onde des UV-B. Malheureusement, l'extraction du malate de sinapoyle des plantes n'est pas réalisable car il est présent en très petites quantités. SINAPUV est précisément conçu pour surmonter non seulement ce problème d’approvisionnement mais aussi les obstacles précités en proposant une approche intégrée durable qui vise à produire des analogues de maléate de sinapoyle biosourcés directement à partir de sucres et identifier ceux qui peuvent avantageusement remplacer les anti-UV actuels. Pour atteindre cet objectif ambitieux, le projet repose sur l'exploration simultanée (1) d’une stratégie de biologie synthétique pour l'ingénierie de bactéries et levures capables de produire deux intermédiaires chimiques, l’acide sinapique et le maléate de sinapoyle, (2) d'une fermentation utilisant les souches optimisées et des sous-produits agro-industriels comme milieu, et de son couplage avec des procédés de purification permettant l'intensification de la production des intermédiaires, (3) de voies chimio-enzymatiques durables pour la synthèse d’analogues de malate de sinapoyle à partir de ces intermédiaires tout en jouant sur leur balance HLB, (3) de l'étude de leurs propriétés spectrales/biologiques au niveau moléculaire et au niveau de la formulation, (4) de la détermination de la toxicité des analogues les plus prometteurs, et (5) d’une étude de cycle de vie permettant l’identification des analogues et des procédés intégrés les plus durables. Enfin, les analogues présentant les activités anti-UV/biologiques les plus élevées et la toxicité la plus faible seront validés comme preuve de concept avant leur industrialisation. Pour relever ce défi, des acteurs académiques et industriels ont décidé de construire un partenariat public privé regroupant l'expertise scientifique et industrielle nécessaire pour aborder pleinement ce projet pluridisciplinaire. Des laboratoires français internationalement reconnus en biologie synthétique (MICALIS), en fermentation/génie des procédés/chimie verte/analyse de cycle de vie (Chaire ABI) et en perturbation endocrinienne (HSC) travailleront main dans la main avec une start-up spécialisée dans la construction de microorganismes optimisés pour l’industrie (Abolis) et une société de rang mondial spécialisée dans la production d'ingrédients cosmétiques biosourcés (Givaudan Active Beauty).

Le but de ce projet HYPISUL est premièrement de synthétiser une nouvelle famille de composés, de type iodosulfoximine hypervalent et dans un second temps, d’étudier leur propriétés soit en tant que source électrophile (énantiosélective) de groupement perfluoroalkyle soit comme source de radicaux fluorés. Le groupe de recherche d’A. Togni a déjà développé deux structures de type iode hypervalent, reconnues à ce jour comme étant parmi les réactifs les plus utilisés pour la trifluorométhylation d’une grande variété de substrats allant du synthon jusqu’aux composés de structures plus élaborés et complexes. Ces réactifs font partie intégrante de la palette de produits accessibles même pour des domaines autres que ceux de la chimie du fluor, sont mondialement connus et même commercialisés. Nous proposons dans ce projet d’élargir cette famille de réactifs afin d’étendre leur champ d’application. Deux aspects vont être étudiés en ce sens : 1) l’extension de leur réactivité et 2) la modification de l’entité réactive qu’ils peuvent délivrer. Ce but sera atteint grâce au remplacement de la partie « acide » du réactif de Togni I par la fonction sulfoximine. Ceci permettra une modification des propriétés électroniques de l’atome d’iode et par conséquent l’introduction d’entités fluorées originales et émergentes telles que le SCF3 et le OCF3 sur l’iode hypervalent. La chiralité offerte par le squelette sulfoximine perfluoroalkylé développé par l’équipe d’E. Magnier devrait aussi permettre le contrôle des centres stéréogènes formés. Nous proposons de diviser ce projet en trois parties. La première partie est principalement dédiée à la préparation des nouveaux composés, incluant la version énantiosélective et sera réalisée par l’équipe française. La seconde partie sera elle consacrée au développement et l’étude des propriétés de ces nouveaux réactifs en tant que source de motif fluoré électrophile et radicalaire. Ce travail sera partagé entre les deux groupes en fonction du type de réactivité (radicalaire pour la France et électrophile pour la Suisse). La troisième partie, qui sera réalisé par le partenaire suisse, rassemble toute l’étude théorique, structurale et mécanistique dans le but de mieux comprendre leur réactivité et de guider nos choix dans les différentes modulations de structures possibles. L’étroite collaboration entre les deux groupes permettra une avancée rapide du projet grâce aux différentes compétences mais très complémentaires sur la chimie du fluor des deux équipes.

L’objectif de ce projet consiste à développer des stratégies de désaromatisation innovantes permettant la bisfonctionnalisation asymétrique de doubles liaisons aromatiques substituées. Les arènes sont des composés de gros tonnages faciles d’accès et leur utilité synthétique reste sous-exploitée. Les nouvelles méthodologies de désaromatisation que nous proposons permettront de produire, rapidement et efficacement, des architectures (poly)cycliques fonctionnalisées et chirales, de haute valeur ajoutée, possédant deux centres tri- et tétra-substitués contigus. Grâce aux fonctionnalités qu’ils présentent, ces motifs seront ensuite dérivatisés pour conduire à un grand nombre de composés de structures tridimensionnelles originales et diversifiées. Trois stratégies complémentaires de désaromatisation sont envisagées, mettant en jeu des réactions de cycloaddition/annélation ou l’« Umpolung » d’une double liaison aromatique dans des réactions ioniques ou radicalaires. L’addition sélective de dipôles électroniquement enrichis sur des dérivés aromatiques appauvris conduit à la formation d’un carbanion que nous envisageons de piéger intramoléculairement pour conduire à la formation de cycloadduits formels. Le développement de versions énantiosélectives sera envisagé essentiellement par organocatalyse bifonctionnelle. Les composés polycycliques désaromatisés cibles présentent différentes fonctions dérivatisables, dépendantes de la nature du dipôle utilisé. L’addition sélective de radicaux sur des dérivés aromatiques électroniquement enrichis comme l’indole par exemple fournira des composés désaromatisés de haute valeur ajoutée, comprenant des fonctions dérivatisables de nature différente et complémentaire des précédentes. L’addition de radicaux chiraux (obtenus par énamine ou NHC) ou de radicaux aminyles initiera les nouvelles cascades radicalaires proposées. L’”umpolung” d’indoles et autres azoles électroniquement enrichis, par addition sélective inusuelle en C2 de différents électrophiles, complètera ces stratégies en permettant la formation d’un cation en C3 de l’hétérocycle puis son piégeage de façon intra- ou intermoléculaire. L’activation par des systèmes de type amidine/proton et/ou N-Ac/FeCl3 est proposé pour réaliser l’”umpolung” de la double liaison aromatique. Ces séquences réactionnelles innovantes permettront d’élargir le panel de transformations réalisables à partir des composés aromatiques pour accéder rapidement et efficacement à des composés 3D de haute valeur ajoutée et de structures diversifiées. Les connaissances différentes et complémentaires des trois partenaires de ce projet en matière de désaromatisation seront très utiles pour relever ces défis.

Dans le domaine des matériaux intelligents, les systèmes multichromophoriques sont susceptibles de montrer des effets d’hystérésis de fluorescence, inexplorés jusqu’à présent. Le projet SWIST propose de concevoir des architectures moléculaires composées d’un grand nombre d’unités fluorescentes et photochromes liées à une plateforme cyclodextrine, autorisant des processus de transfert d’énergie. Plusieurs architectures moléculaires multichromophoriques de complexité croissante seront conçues, grâce à une stratégie s’appuyant sur une méthode convergente par click-chimie. La compétition cinétique des photo-isomérisations des différentes unités doit conduire le système selon des chemins réactionnels différents sous illumination UV ou visible, ouvrant un cycle hystérésis de fluorescence. Une approche multidisciplinaire, s’appuyant sur des partenaires scientifiques complémentaires, combinant le design moléculaire, la synthèse, la spectroscopie et les calculs théoriques, doit nous permettre de relever ce défi. L’hystérésis attendue provient d’interactions et d’effets collectifs entre les sous-unités moléculaires. Cela présente un formidable intérêt de recherche fondamentale, mais ouvre également des voies applicatives prometteuses.

ToughGlasses est un projet de recherche fondamentale motivé par la nécessité de prédire (puis de contrôler et d’améliorer) la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) subissant des sollicitations variées (corrosion sous contrainte, vents, irradiations, température élevée…) pouvant amener un endommagement intempestif et/ou l’altération de leurs fonctionnalités. Des études récentes ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l’irradiation par électrons modifie aussi la composition chimique et amène la composition du système chimique proche de sa zone de démixtion. La question qu’on se propose de résoudre ici est de vérifier si l’apparition de zone de demixtion est bien responsable de l’amélioration du comportement en corrosion sous contrainte, puis de l’étudier pour ensuite aboutir à l’application en utilisant cette méthode de manière à augmenter la tenue en service des verres.

Le contrôle simultané de la force d’adhésion et de la dynamique de décollement des adhésifs mous est un levier de progrès pour les applications industrielles, en particulier lors des processus d’assemblage et de transformation. AdhesiPS est un projet de recherche fondamentale explorant le potentiel de substrats micro-structurés à l’aide de topographies 3D et d’hétérogénéités adhésives d’origine chimique dans le contrôle du processus de décohésion d’un adhésif mou sur une très large gamme de vitesses de déformation. AdhesiPS planifie d’utiliser des interfaces micro-structurées avec différents motifs géométriques pour contrôler l’adhésion de polymères viscoélastiques, une voie de développement alternatif au contrôle de la formulation chimique de l’adhésif ou de la chimie de surface du substrat. En variant la géométrie du motif et les propriétés physiques (rigidité, énergie de surface) du substrat, le projet AdhesiPS permettra de trouver des stratégies pour ajuster le niveau d’adhésion de polymères mous à des situations extrêmes, depuis des valeurs beaucoup plus faibles jusqu’à des valeurs beaucoup plus fortes que celles obtenues sur une surface lisse. Cette possibilité est liée au fait qu’un tel ajustement a déjà été observé sur des surfaces caoutchoutiques structurées, où les mécanismes responsables de l’adhésion sont en partie simiaires à ceux dans les polymères viscoélastiques mous, en l’occurrence à travers la perte par hystérèse de l’énergie élastique stockée et finalement dissipée pendant le processus de décohésion. Il est tout à fait intéressant de remarquer que dans le cas d’adhésifs mous sur un substrat structuré, la perte d’énergie élastique peut provenir à la fois du substrat et du mécanisme de fibrillation de l’adhésif. Les micro-structures capables de réduire l’aire de contact entre l’adhésif et le substrat, et potentiellement d’augmenter le glissement à l’interface, seraient de très bons candidats pour réaliser des substrats conduisant à une très faible adhésion, de façon analogue aux interfaces micro-structurées qui peuvent créer des comportements superhydrophobes. En outre, la contribution du substrat et celle de l’adhésif à l’énergie d’adhésion dépendent tous deux des taux de déformations appliqués. Ajuster la dépendance avec le taux de déformation de la contribution du substrat à l’adhésion par rapport à celle de l’adhésif pourrait fournir un moyen de contrôler cette dépendance. Par exemple, il pourrait devenir possible de trouver des conditions dans lesquelles la contribution du substrat, qui augmente avec le taux de déformation, pourrait compenser la décroissance de l’énergie d’adhésion de l’adhésif observée à fort taux de déformation sur un substrat lisse, ce qui pourrait permettre d’éviter l’apparition d’instabilités dynamiques. Plus généralement, les processus industriels qui requièrent un niveau d’adhésion différent sur les deux faces d’un même film de polymère, ou qui ont besoin d’un niveau d’adhésion différent pendant la phase d’assemblage et en cours d’usage, pourrait profiter avantageusement d’un contrôle de l’adhésion en fonction de la micro-structure et en fonction du taux de déformation.

Le but du projet PolyNASH est de développer la croissance et l’étude d’oxydes fonctionnels (OF) sur des substrats à bas coûts et de proposer une nouvelle solution pour l’intégration de ces oxydes complexes (OC) à propriétés multifonctionnelles pour l’électronique sur grandes surfaces. En effet, la miniaturisation des éléments électroniques arrive à une limite et de nouvelles solutions sont recherchées afin d’augmenter l’intégration de nouvelles fonctionnalités (approche « More than Moore »). Des matériaux tels que les OC proposent des propriétés telles que le ferromagnétisme, la ferroélectricité, le multiferroisme …, qui ne sont pas présentes dans les semi-conducteurs, et sont ainsi très prometteurs pour le développement d’une nouvelle génération de matériaux en microélectronique, l’électronique basée sur les oxydes : « oxytronique ». Un des freins au développement des dispositifs originaux par un réseau de start-up ou d’industries technologique, est le coût de fabrication complet depuis les substrats jusqu’à la fin de processus. Dans ce projet, nous allons mettre en place deux approches afin de développer ces substrats à bas coût : 1 /Croissance sur substrat par épitaxie combinatoire (CSE) 2/ Epitaxie sur Nanofeuillets de germination (2D-NS). Ces 2 types de substrats ont l’avantage de pouvoir être synthétisés pour une large gamme d’OF et d’offrir une alternative aux substrats monocristallins relativement chers et qui proposent un choix limité de matériaux et d'orientations cristallographiques. Ceci est particulièrement important afin d’exploiter les propriétés fonctionnelles des OC, dont les anisotropies (magnétisme, ferrolectricité…) sont typiquement liées à leur orientation cristalline. Dans le cas des CSE, toutes les orientations possibles peuvent être obtenues en un seul échantillon et permettent ainsi d’étudier avec un seul dépôt de nombreuses expériences réalisées sur les substrats commerciaux monocristallins. Ainsi pour chaque matériau, nous pouvons étudier et isoler les meilleures relations propriétés-orientations et par conséquent les transférer sur d’autres types de substrats comme les 2D-NS. Ces nanofeuillets sont à 2 Dimensions avec une épaisseur moléculaire et comparativement infinis dans le plan. Ils ont des paramètres de mailles leur permettant d'être utilisés comme site de germination afin d’induire une épitaxie des OC. De plus ces 2D-NS ont la particularité de pouvoir être déposés sur tous types de support sans limitation de surface tel que le Silicium. Ainsi ce projet vise à démontrer le potentiel de ces 2 types de substrats sur différentes familles d’OC : pérovskite, grenat et illménite pour leurs propriétés multifonctionnelles et de magnétisme et qui sont étudiés entre autres pour la spintronique. Le projet est organisé de manière à ce que les deux matériaux soient optimisés et étudiés en parallèle et propose un transfert des CSE vers les 2D-NS. Pour cela ce consortium englobe la gamme complète des compétences nécessaires pour mener à bien le projet, qui comprend des experts dans le domaine de croissance des 2 types de substrats : le CRISMAT de Caen (CSE) et l'ISCR de Rennes (2D-NS). Les OC seront déposés par ablation laser pulsé par les partenaires qui ont déjà optimisé les matériaux pérovskite (CRISMAT) et grenat et ilménite (GEMaC) tandis que l’intégration des OC sur de larges surfaces sera réalisée par Atomique Layer Deposition au GEMAC et Chemical Solution Deposition à l’ISCR. La caractérisation des couches minces seront réalisées structuralement au CRISMAT et à l’ISCR, et les caractérisations physiques macroscopiquement au CRISMAT et à l’échelle locale au GEMaC. L’élaboration de ces substrats vont permettre l’étude de la croissance d’oxydes complexes et leur intégration sur des substrats universels et à large surface. Ceci permettra de proposer le développement d’une technologie en rupture dans le domaine des dispositifs basés sur le silicium.

Le changement global vers un modèle économique plus écologique nécessite de remplacer les produits chimiques non renouvelables par des produits durables dont les performances correspondent au moins à celles de leurs prédécesseurs tout en respectant les normes les plus récentes. L'adaptabilité rapide aux standards est essentielle dans de nombreux domaines tels que la cosmétique, la récupération du pétrole, la construction, l'agro-alimentaire et l'industrie automobile. Dans ce contexte en constante évolution, des méthodes qui accélèrent la synthèse, la caractérisation et l'optimisation chimiques sont désirables. L'objectif de la proposition CARANGONI est de relever le défi du développement d'une nouvelle méthode rapide et peu coûteuse de caractérisation de la solubilité des espèces chimiques basée sur les écoulements de Marangoni. Certains d'entre nous ont montré par le passé que la taille des écoulements de Marangoni induite par l'injection d'espèces actives en surface solubles dans l'eau à la surface d'une couche d'eau était fixée à la fois par le débit à laquelle les molécules sont injectées et leur limite de solubilité dans l'eau avant l'agrégation, également connue sous le nom de concentration critique de micelles. La relation entre ces trois quantités est une simple loi d'échelle. Ainsi, à l'aide d'une calculatrice, on peut déduire une propriété thermodynamique des molécules tensio-actives en solution à partir de la mesure de la taille d'un écoulement avec une règle. En outre, une seule mesure est nécessaire. Cette particularité doit être contrastée avec la nécessité de grandes quantités de matériel et de temps nécessaires pour effectuer des mesures de la cmc avec des méthodes classiques (goutte pendante, conductimétrie, ...). Jusqu'à présent, nous avons testé des molécules simples qui sont loin des systèmes moléculaires utilisés dans l'industrie. Dans la proposition CARANGONI, nous voulons généraliser la caractérisation de Marangoni à des systèmes moléculaires complexes et plus proches des applications, comme les mélanges de tensioactifs-polymères ou les tensioactifs en présence de sels. Nous voulons également explorer les extensions du système Marangoni pour éliminer les impuretés dans les tensioactifs et la synthèse des nanoparticules à base d'ADN. Enfin, nous voulons bénéficier de la beauté de l'expérience pour développer des outils de vulgarisation autour de la science des interfaces. Notre consortium inclut quatre groupes de trois laboratoires, Matière et Systèmes Complexes, le Laboratoire de Physique des Solides et l'Institut de Physique de Rennes, à Paris et à Rennes. Ce consortium réunit à la fois des expertises dans les approches expérimentales et théoriques des sciences de l'interface, de l'hydrodynamique et de l'auto-assemblage. La vulgarisation occupe une place importante dans ce projet, et la proposition comprend une tâche spécifique consacrée à la diffusion. Le consortium implique des chercheurs dans ce domaine qui ont développé des stratégies novatrices pour populariser d'autres sujets de la physique comme la mécanique quantique. La proposition bénéficie du soutien de la société française TECLIS, basée à Lyon, qui est un important fabricant de dispositifs de caractérisation d'interface. Les membres du consortium ont déjà commencé à développer un prototype de dispositif basé sur l'automatisation de la mesure des flux de Marangoni pour la caractérisation rapide de la solubilité des espèces chimiques. Le but de cet appareil est au niveau de la formulation et au contrôle de la qualité.

Le projet SPOT a pour objectif le développement d’un ou plusieurs procédés de gravure par plasma réactif pour structurer la surface de pièces en acier de type austénitique et martensitique jusqu’à l’échelle submicronique. En combinant les propriétés intrinsèques ou chimiques des surfaces avec les propriétés physiques générées par la topographie, des fonctionnalités nouvelles ou optimisées seront créées afin de répondre aux attentes de nombreux secteurs industriels. Cette valeur ajoutée suppose la maîtrise du procédé de structuration, et permettra de répondre aux limitations des techniques déjà disponibles (laser, gravure chimique, emboutissage). Pour garantir la durabilité des macro/nano motifs réalisés, nous développerons des traitements « duplex » de structuration suivie de traitement thermochimique (nitruration, carburation) basse température assisté par plasma, mixant ainsi les avantages conjoints des deux procédés. Cette voie innovante doit donner naissance à de nouvelles familles de produits répondant à des besoins spécifiques et très contraignants en matière de résistance mécanique, de réduction du frottement, de durée de vie des pièces en conditions extrêmes. Le marché potentiel est très important. Le consortium est composé de trois laboratoires et d’un industriel. L’Institut Jean Lamour (IJL), coordinateur, est un acteur reconnu au niveau international pour la mise en forme et le traitement des matériaux. Il développe des activités de recherche liées à la structuration de surfaces métalliques par plasma (traitement thermochimique et gravure par pulvérisation ionique). Le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) possède de solides compétences en gravure plasma, tant sur le plan expérimental que fondamental pour la compréhension des mécanismes mis en jeu. Ceux-ci sont exploités dans les codes de modélisation des interactions plasma-surface développés à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), troisième partenaire académique de SPOT. L’IMN possède en outre de fortes compétences dans le domaine de la caractérisation physico-chimique des surfaces gravées. Enfin, la PME SILSEF possède un savoir-faire reconnu en techniques de structuration ainsi que des moyens de caractérisation fonctionnelle. Elle est largement sollicitée pour la mise au point de procédés innovants de fonctionnalisation des surfaces de pièces en acier. In fine, SPOT vise à démontrer la faisabilité industrielle de procédés de gravure par plasma de pièces en acier pour fonctionnaliser les surfaces. L’ambition est d’ouvrir de nouvelles perspectives d’application dans un marché considérable, très actif et diversifié, dans un contexte pressant pour limiter la consommation en matières premières, favoriser les matériaux recyclables, améliorer la durée de vie des systèmes existants….tout en favorisant le développement durable et de la compétitivité des produits manufacturés. Associées à des traitements thermochimiques, les gravures donneront aux pièces métalliques structurées des propriétés tribologiques renforcées et durables, utilisables en milieu sévère. Candidates au remplacement de pièces habituellement réalisées en matériau plus noble non recyclable (SiC) ou recouvertes d’une couche mince dure (DLC, TiN), elles assureront alors un gain économique et écologique.

Le contrôle de la chimie de surface ou interface est l'une des étapes clés dans la maîtrise des nano technologies électriques et photonique destinées aux composants industriels à fortes valeurs ajoutées. Ce constat est généralement observé pour les III-Vs où il est encore difficile d'atteindre leurs performances exceptionnelles prédites par la physique. Le programme d’EPINAL repose sur une passivation recouvrant entièrement la surface d’InP par un film ultra mince de polyphosphazene. C’est une passivation originale et inédite sur les semiconducteurs III-V. Elle implique une chimie contrôlée des liaisons "P-N" à l'échelle nanométrique, obtenue par voie électrochimique et electroless dans l’ammoniac liquide (-55°C, pression atmosphérique). EPINAL repose sur un projet pluridisciplinaire rassemblant 4 groupes de recherche académiques (ILV, LPN, ICMPE et IRDEP). Cette approche multidisciplinaire très contrastée mais complémentaire (chimie, électrochimie, physique et optique) est une façon inhabituelle de procéder et novatrice et délimiter les performances des films de passivation sur la surface de semiconducteurs. EPINAL vise ainsi les modifications fondamentales intervenant à l’interface afin de comprendre et ainsi révéler la meilleure passivation possible. Les résultats préliminaires obtenus par le consortium sont encourageants sur InP par voie électrochimique. La formation du film est en effet parfaitement contrôlée par voie électrochimique (épaisseur, homogénéité, distribution spatiale). La stabilité chimique du film est révélée sur différents solvants, la stabilité thermique et la fonctionnalisation du film par complexation de fragments inorganiques sont démontrés comme la potentialité d’étendre ce processus de passivation à la formation de motif en utilisant des masques de SiO2. Cette passivation sera explorée sur d'autre III-Vs impliquant de nouvelles liaisons "III-N" telles que "Sb-N", "Ga-N" présents dans de nombreux alliages ternaires et quaternaires. Le succès de cette passivation étendue à d’autres semi-conducteurs III-Vs permettrait de nombreuses applications dans le domaine de la microélectronique et des dispositifs optoélectroniques. Citons, sans être exhaustif, la passivation sur les faces clivées ou gravées, de guides d'ondes de SC lasers pour les rendre résistants vis-à-vis des densités de puissance optique élevée. Les traitements à haute réflectivité des faces de miroir pour augmenter les performances des lasers sont également essentiels. La passivation et l'isolation des rubans laser pour la technologie de guide d'onde à crête profonde constituent aussi d'autres exemples.

Les lasers solides pompés par diode et dopés Nd3+ sont très bien adaptés à l’obtention de fortes puissances d’émission dans le proche infra-rouge lorsqu’ils opèrent selon la transition 4F3/2 – 4I11/2 (laser quatre niveaux vers 1030-1080 nm) ou la transition 4F3/2 – 4I9/2 (laser quasi-trois niveaux vers 900-950 nm). Cette émission laser peut ensuite être convertie en longueur d'ondes vertes ou bleues puis dans l’UV grâce à des procédés de doublage de fréquence. Cependant la gestion de la charge thermique en fonctionnement laser reste un obstacle à la montée en puissance : il peut être franchi par la mise en forme particulière des cristaux en fibres, couplée à leur mise en oeuvre dans des modules adaptés. Le procédé d’élaboration des fibres cristallines par µ-pulling down (µ-PD) est alors particulièrement bien adapté : il est direct, rapide et peu coûteux comparativement à des méthodes d’élaboration de cristaux massifs. Cependant, pour l’application visée, seul le YAG : Nd3+ est disponible commercialement sous forme de fibre. Les fibres de YAG : Nd3+ sont effectivement élaborées par µ-PD et elles peuvent être montées dans des modules dédiés, en particulier développés par l'entreprise partenaire Fibercryst, qui ont fait la démonstration de l’intérêt de cette technologie de mise en forme pour les performances laser. Cependant, le YAG : Nd3+ présente quelques inconvénients comme un coefficient de ségrégation défavorable de l’ion Nd3+ ne facilitant pas l’obtention de fibres cristallines homogènes, un stockage d'énergie dans le niveau émetteur limité par un temps de vie moyen, et une sensibilité aux pertes laser par effet de dépolarisation en raison de sa structure cubique. Le projet CRYSTALASFIBER se propose de développer une nouvelle génération alternative de fibres cristallines basée sur l’ASL : Nd (Sr1-xNdyLax-yMgxAl12-xO19) palliant certaines limitations du YAG : Nd3+. Cette famille de matériaux est facile à élaborer sous forme massive (méthode Czochralski), elle témoigne d’une ségrégation de l’ion Nd3+ assez idéale, elle est non cubique, et elle présente un temps de vie de fluorescence élevé (meilleur stockage d'énergie en régime laser pulsé) ainsi que des propriétés spectroscopiques très favorables, en particulier pour l’émission selon la transition 4F3/2 – 4I9/2. Préparée à l’état massif, des performances lasers prometteuses ont déjà été obtenues en démontrant une émission laser à 1053 nm et 900 nm, mais seulement en régime continu et les puissances sont restées légèrement limitées à cause d’effets thermiques qui pourraient être mieux gérés en exploitant la géométrie d’une fibre cristalline. Préalablement, un premier test de croissance de l’ASL par µ-PD a été démontré pour justifier la faisabilité de ce projet. Ainsi, ce projet vise à explorer et à tester le champ de composition offert par l’ASL : Nd pour développer son élaboration directe sous forme de fibre cristalline par la technique de µ-PD. La finalité de ce projet est l’adaptation et l'intégration de ces nouvelles fibres cristallines dans des modules laser à vocation commerciale pour en tester les performances laser, en particulier en régime pulsé pour l'obtention de fortes énergies à taux de répétition modéré. Il est à noter que cette technologie de module laser est maîtrisée par le partenaire industriel de ce projet et qu’elle a fait ses preuves récemment, en particulier dans le cas du YAG. Le consortium implique 3 partenaires académiques (IRCP, ILM, LCF) et un industriel (Fibercryst), avec comme objectif d’offrir à terme de nouvelles opportunités industrielles et commerciales. CRYSTALASFIBER est ainsi un projet pluridisciplinaire de 3 ans mêlant des compétences complémentaires en science des matériaux, croissance cristalline, transfert de technologie, spectroscopie et tests lasers.

MILAGaN vise à développer des lasers microdisques pompés électriquement à base de matériaux nitrures (Al,Ga,In)-N couvrant la gamme UV-visible. Plusieurs applications peuvent être envisagées: la purification/désinfection de l'eau et de l'air, la détection d’espèces chimiques et la fabrication de sources solides toujours plus efficaces pour l’éclairage. MILAGaN concentrera son attention sur l'éclairage, car c'est probablement un des enjeux les plus importants de ce siècle. La part de l'éclairage à semiconducteurs augmente rapidement en raison de sa meilleure efficacité énergétique par rapport aux autres technologies et de ce fait, des économies d'énergie significatives sont attendues. La seule limitation freinant son adoption massive est le prix des diodes électroluminescentes (LED). Une solution consiste à réduire le nombre de LED dans la lampe et de les piloter à fort courant. Malheureusement, les LED à base de GaN ont une efficacité qui chute à fort courant, et perdent de ce fait une partie de leur intérêt énergétique. Cet effet est lié au processus d'émission spontanée et peut être largement supprimé en utilisant des sources d'émission stimulée, c'est-à-dire des lasers. Parmi les différentes géométries de laser, les microdisques conviennent parfaitement à cette application. En s’appuyant sur l’expertise du consortium sur le GaN-on-Si, l’idée du projet est de développer des lasers microdisques injectés électriquement émettant dans l’UV/bleu pour pomper des phosphores afin d’émettre une lumière blanche. La fabrication de réseaux de microdisques pilotés en parallèle permettra d’obtenir une puissance optique élevée. Les premiers prototypes permettront d’évaluer les problèmes potentiels liés à cette nouvelle technologie, tels que le coût des dispositifs, la gestion de la thermique, les pertes, la durée de vie et la robustesse. Mais l’objectif premier du projet et son principal défi consiste à fabriquer des lasers microdisques injectés électriquement. Le pompage optique a déjà été démontré dans ces microdisques, des facteurs de qualité élevés ont été mesurés et l’effet laser a été observé. La difficulté du projet consiste donc à reproduire ces caractéristiques mais cette fois en pompage électrique, ce qui est complètement nouveau et constitue un vrai défi. Le consortium regroupe 4 partenaires avec une expertise complémentaire en France et un partenaire à Hong Kong. Les partenaires français collaborent depuis longtemps dans ce domaine et ont une bonne expérience dans la fabrication des cristaux photoniques, des microdisques et des cavités planaires en matériaux nitrures. Cependant, manquant d'expérience dans les domaines des microdisques injectés électriquement et des sources de lumière blanche, l’expertise d’un partenaire localisé à Hong Kong (HKU) s’est avérée indispensable. HKU possède une solide expérience dans la mise en œuvre des luminophores pour les sources de lumière blanche et plus généralement dans l’injection électrique des nanocomposants. Grâce à cette expertise complémentaire, le projet propose de réaliser un procédé complet, qui va de l'épitaxie jusqu’au prototype avec le dépôt du phosphore. Il n’est cependant pas question, dans le cadre de ce projet, de démontrer que la technologie µdisques va concurrencer la technologie LED existante qui a connu deux décennies d'optimisation. L'objectif du projet est avant tout d'évaluer le potentiel des lasers µdisques pour l'éclairage à l'état solide et d'identifier les problèmes et les limites de cette technologie innovante. L'impact du projet sera renforcé par la nature internationale du projet, mais aussi par la force du réseau GaNeX dont tous les partenaires français sont membres. GaNeX soutient déjà le projet MILAGaN via l’attribution d’une thèse partagée C2N/INAC. En outre, la société Aledia et la startup EasyGaN, une jeune spin-off du CRHEA, toutes deux développant des technologies à base de matériaux nitrure sur silicium, sont intéressées par le projet.

Le projet PYRAMID est un projet international de recherche collaborative (PRCI), qui réunit des laboratoires publics français (MATEIS,LVA, CEA) et japonais (IFS et GSE à l'Université de Tohoku , GSST à l'Université Gunma), une Unité Mixte Internationale (ELyTMaX),et le CRIEPI, fondation de recherche à but non lucratif, soutenue par l'industrie électrique japonaise . PYRAMID vise à développer de nouveaux outils et techniques pour détecter et quantifier l'amincissement de paroi dû à la Corrosion induite par un Flux chargé en Débris (SFC) dans les systèmes de tuyauterie, qui s'apparente à la Flow Accelerated Corrosion (FAC) en présence d'une forte concentration de débris divers (béton, corrosion, métal ...). L'objectif final est de fournir un système de gestion des risques basé sur la prévision et la surveillance de l'amincissement des parois due à la SFC. Les modes et le taux de corrosion seront prédits par des simulations numériques mises en oeuvre sur des structures réalistes telles que des coudes d'acier. Ces prédictions seront validées par des mesures électrochimiques sous coefficient de transfert massique contrôlé. De plus, des méthodes ultrasonores non destructives (UT) seront conçues à l'aide de simulations. Leurs performances seront testées dans des installations de test de corrosion. Les techniques adéquates de traitement du signal basées sur des approches bayésiennes seront développées. Les UT sont très répandues dans l'industrie car elles permettent le contrôle en volume et contribuent à améliorer la productivité et la conformité des produits aux exigences de qualité et de sécurité. Les transducteurs acoustiques électro-magnétiques (EMAT) permettent la génération et la détection d'ondes élastiques dans une pièce sans contact mécanique avec celle-ci; Par conséquent, ils peuvent être utilisées à haute température et dans divers environnements hostiles où les transducteurs piézoélectriques standard échouent. L'utilisation d'EMAT constitue une solution polyvalente adaptée aux cas complexes. La disponibilité d'outils de simulation validés pour prédire le champ qu'ils génèrent et leur sensibilité à un champ arbitraire est cruciale si l'on veut les optimiser et limiter leurs inconvénients. Une fois développés, ces outils peuvent être couplés à d'autres dédiés à la propagation et à la diffusion des ondes élastiques. Cet 'ensemble d'outils permet une simulation complète des inspections UT dans des cas complexes. Les ondes élastiques guidées (GW) sont utilisées dans les essais non destructifs sur tuyaux. L'étude numérique de la diffusion des GW est souvent coûteuse en termes de calcul en raison de très courtes longueurs d'onde par rapport à la taille du tuyau. En outre, le nombre de modes diffractés à partir d'un défaut non axisymétrique (zone de corrosion typique, fissure ...) peut être trop important pour la méthode des éléments finis standard (FE). En conséquence, la plate-forme de simulation CIVA traite des modèles basés sur un Formalisme Modal pour simuler l'inspection non destructive par GW en utilisant la méthode Semi-Analytical Finite Element (SAFE). Actuellement, les sources EMAT sont prises en compte dans une méthode hybride SAFE / FE efficace pour calculer les modes diffractés par un défaut complexe arbitraire implémenté dans la plate-forme de simulation NDT CIVA par CEA. Pour augmenter la fiabilité de la méthode, les simulations aideront à sélectionner la meilleure solution technique, basée sur la probabilité de détection et la performance de caractérisation des défauts. Des techniques d'imagerie topologique par ultrasons seront également appliquées. Cette double approche, qui combine la simulation et la caractérisation, devrait permettre d'optimiser le processus d'inspection dans les tubes en acier corrodés. Le projet conduira a un système d'évaluation du risque industriel lié à l'exploitation de tout système de tuyauteries soumis à la corrosion, qui doit être détectée, quantifiée et évaluée.

L'ingénierie biologique s'introduit de plus en plus dans les procédés de synthèses de molécules à haute valeur ajoutée, contribuant au développement de productions éco-compatibles à l'aide de fermentations bactériennes. Ce principe peut encore largement évoluer en détournant les voies de biosynthèses vers des productions de nano-objets complexes ou fragiles, intégrées par la cellule. Le projet GenCaps propose une preuve de concept de la formulation de capsules liposomes thermo-stimulables par des bactéries génétiquement modifiées. Nous poursuivront les objectifs suivants 1) la surexpression de vésicules lipidiques (protéoliposomes) bien définis en terme de composition et de présentation de peptides à leur surface, sous contrôle de l'expression d'une protéine de structure recombinante, 2) une encapsulation de protéine/peptides solubles s'effectuant in cellulo, 3) le couplage de la membrane lipidique avec la réponse en température de chaines polymères pour contrôler sur demande la libération ou le ciblage des capsules. Le but explicite sur ce dernier point consistera à encoder des séquences thermosensibles ("elastine-like") pour obtenir des objets totalement biosynthétisés. Une étape intermédiaire générant des systèmes hybrides (couplage chimique post-production) a été aussi planifiée afin de marquer les vésicules et faciliter leur caractérisation. Nous étudierons notamment la stabilité et les formes membranaires (tubes ou sphères), l'orientation des protéines membranaires, et le déclenchement (thermique) sur commande de l'agrégation des protéines et de la rupture membranaire (perméabilisation). Franchi le stade de la preuve de faisabilité et du "scale-up" (pour lequel une étude de faisabilité sera commandée à la compagnie Synthelis), les applications de ce système pourraient renouveler les ingrédients de produits cosmétiques et alimentaires. Au delà, nous espérons que cette approche montrera le potentiel d'une orientation du champ de la bioingénierie vers le contrôle de nanoparticules organiques pour lequel beaucoup reste à inventer (biolatex, émulsions huileuses, etc).

La phase hexagonale diamant (polytype 2H) n’apparaît pas dans le diagramme des phases du silicium. Cependant, nous l’avons obtenue par croissance vapeur-liquide-solide (VLS) dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), en utilisant l’étain comme catalyseur. Le but du projet HexaNW est de comprendre ce qui stabilise cette phase pendant la croissance de façon à établir un protocole permettant de la reproduire de manière fiable. Nous utiliserons pour cela l’observation de la croissance à l’échelle atomique in-situ dans le microscope électronique en transmission environnemental (ETEM) du projet NanoMAX et sa modélisation grâce à des calculs ab-initio des énergies de surface et d’interface. La structure de bande calculée du silicium 2H donne un gap indirect de 0.95 eV qui devient direct dans les nanofils (Amato, Nano Lett. 16, 5694, 2016) ou sous une contrainte de tension bi-axiale (Rödl, …, and Guillemoles, Phys. Rev. B 92, 045207, 2015). Ces propriétés électroniques, ajoutées à l’abondance naturelle et l’innocuité environnementale de l’élément, en font un excellent candidat pour de futurs dispositifs nano-optoélectroniques. Le Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS, École polytechnique, Université Paris-Saclay) développe des cellules solaires à base de jonctions radiales élaborées autour de nanofils. De manière tout-à-fait remarquable, le silicium amorphe déposé autour d’un cœur Si-2H dans de tels dispositifs pourrait appliquer une contrainte utilisable pour ajuster la bande interdite de la phase 2H. La structure 2H (P63/mmc) n’apparaît pas dans les expériences sous enclume de diamant, quelle que soit la température ou la pression. C’est pourquoi il a toujours été très remarquable de la trouver sous contrainte ou dans des couches épitaxiées. Sa présence dans des nanofils de silicium bruts de croissance n’avait jamais été clairement démontrée avant nos observations. ces dernières sont réalisées uniquement dans l’axe de zone de type [110] (3C)/ [11-20] (2H) où la caractérisation de la phase est indiscutable (Tang, Maurice, et al., Nanoscale, 2017). Les nanofils 2H que nous préparons diffèrent de ceux qui sont habituellement étudiés par : (i) leur petites dimensions (4 nm de diamètre), (ii) la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) qui fonctionne à basse température et (iii) l’étain liquide que nous utilisons comme catalyseur. Le projet HexaNW a pour but essentiel la compréhension des mécanismes de croissance des nanofils Si-2H. Il permettra également de connaître les propriétés de tels objets, en fonction de leur taille et du polytype présent. Ses perspectives sont le développement de dispositifs optoélectroniques ou photovoltaïques profitant de la structure de bande unique de ces objets. Le programme en est le suivant: la croissance sera optimisée au LPICM, dans le réacteur-même qui a déjà produit cette phase. Ceci fera le principal objet du travail de thèse du doctorant payé par l’ANR. Elle sera observée dans l’ETEM NanoMAX en temps réel et à résolution atomique. Compte tenu du risque propre à cette partie du projet, l’étude in situ comportera également la croissance par jets moléculaires de nanofils de Ge par le partenaire C2N, dans des conditions propres à former le polytype2H. La caractérisation optoélectronique du matériau sera effectuée à l’IRDEP (CNRS, EDF, Chimie-ParisTech) sur des nanofils élaborés ex-situ. La cathodoluminescence (LPICM-C2N) donnera la luminescence individuelle de ces objets. La nucléation et la croissance seront modélisées au C2N (CNRS, Université Paris-Saclay) en utilisant les énergies de surface et d’interface calculées à partir des premiers principes au LSI (CEA, CNRS, École polytechnique, Université Paris-Saclay). La corrélation des observations à l’échelle atomique avec ces modélisations permettra une compréhension fine des conditions qui stabilisent la phase Si 2H.

Les oligomères et les polymères pi-conjugués ont reçu une attention toute particulière comme matériaux organiques semi-conducteurs à bas coûts et d’usage pratique pour l’industrie opto-électronique. En effet, des diodes électroluminescentes (OLED) pour l’affichage incorporant des oligomères pi-conjugués émissifs ont été commercialisées dès 2002. Malgré les avantages de ces matériaux, le procédé de sublimation utilisé pour la réalisation d’OLEDs commerciales actuelles, reste relativement couteux. En revanche, les matériaux que nous proposons dans ce projet sont dédiés à une fabrication des diodes par voie liquide ouvrant la voie à des approches à bas coûts. De plus, des recherches sont toujours nécessaires afin de développer des matériaux optimisés (émetteurs, transporteurs de charges) permettant d’améliorer les performances de ces dispositifs. Un nouveau domaine d’application est également apparu récemment avec le développement de diodes électroluminescentes émettant dans le blanc (WOLED). Cette dernière application suscite un très grand intérêt car, grâce à leur faible consommation énergétique et à la démonstration de leur viabilité industrielle dans le domaine de la visualisation, les WOLED sont aujourd’hui considérées comme de sérieux candidats pour une prochaine génération de sources d’éclairage. Toujours dans le but d’imprimer les LEDs, notre projet a donc pour but de développer des nanomatériaux hybrides fortement émissifs et solubles qui peuvent être utilisés pour la construction de dispositifs optoélectroniques de type diode électroluminescente par impression. Afin de développer ces nouveaux matériaux fortement émissifs, nous grefferons un ou plusieurs émetteurs organiques présentant une émission induite par agrégation (AIE) sur une nanoparticule inorganique type ZnO. Ce greffage, via une fonction d’ancrage faisant partie du système pi-conjugué, permettra de concentrer un nombre important de fluorophores à la surface et surtout de figer les molécules permettant de réduire les désactivations non radiatives. De plus, le co-greffage de plusieurs émetteurs avec des spectres d’émission complémentaires pour obtenir une émission blanche vise à donner une solution aux problèmes de démixtion existant dans les mélanges de polymères utilisés dans la technologie PLED. En effet, un contrôle de la distribution ainsi que de la morphologie des différents émetteurs par le greffage sur des oxydes métalliques de formes différentes seront étudiés. Un autre objectif de ce projet concerne la mise au point d’une méthode de synthèse de composés organiques présentant un phénomène AIE et incorporant la fonction de greffage au sein du système pi-conjugué qui soit aisée à mettre en place, reproductible et permettant d’obtenir de grandes quantités de produits. Plus particulièrement, les familles des phospholes, des siloles et des tétraphényléthylènes, dont les propriétés AIE ont déjà été démontrées sur des systèmes « tout-organiques » seront étudiées. L’objectif sera d’obtenir des fluorophores AIE greffables émettant différentes longueurs d’ondes dans la gamme du visible. Nous étudierons, en détail, l’interaction entre le chromophore organique présentant la propriété d’émission induite par agrégation et la nanoparticule en faisant varier différents paramètres (nature et position de la fonction de greffage) ainsi que la nature des oxydes métalliques. Le projet vise à utiliser les propriétés électriques des oxydes métalliques pour améliorer le transport des électrons dans la couche active en variant la forme des nanoparticules (sphère, bâtonnet), en plus de leur rôle actif dans le co-greffage. Ensuite, introduirons ces nouveaux matériaux hybrides dans différentes structures de LEDs par voie humide dans le but de simplifier le procédé de fabrication de ces dispositifs.

Le projet HIBISCUS a pour objectif le développement d'une nouvelle source d'ions, qui pourra permettre de produire des faisceaux intenses de pratiquement n'importe que type d'ions (atomes, molécules, nanoparticules...) dans des conditions très douces (proches de la température ambiante). Cette source permettra également de résoudre la plupart des problèmes posés par les sources LMIS, MiLICIS et LICIS . Notre approche se base sur l'utilisation de composés, qui vont permettre de pré-dissocier les espèces ioniques en solution, pour faciliter leur extraction. Ceci permettra également de faire fonctionner ces sources pour obtenir des faisceaux d'ions positivement ou négativement chargés, en utilisant les mêmes principes de fonctionnement. Dans le cas de la production des faisceaux de nanoparticules, l'approche actuelle conduit à une distribution de nanoparticules en masse et charge avec de nombreuses espèces ayant un m / q identique. Par conséquent, il est difficile de sélectionner une NP avec une masse et une charge bien définies. Notre approche permet d’apporter également des solutions à ce problème et de réduire la taille du spot du faisceau. Ces sources trouveront de larges applications dans des domaines très divers, allant de l'analyse des surfaces par spectrométrie de masse SIMS à l'implantation ionique en passant par le micro/nano-usinage.

Près de 80% des composés magnétiques sont antiferromagnétiques, produisant donc une aimantation nulle ou extrêmement faible. Parmi les matériaux magnétiques, 50% sont à la fois antiferromagnétiques et électriquement isolants. Cette double caractéristique les rend quasiment impossible à observer sur la base des techniques de microscopie aujourd’hui disponibles, ce qui limite la compréhension de leurs propriétés physiques, notamment lorsque ces dernières doivent être visualisées aux échelles pertinentes, du micromètre jusqu’au nanomètre. L’exploration des propriétés microscopiques des antiferromagnétiques devient incontournable alors que ces matériaux émergent en tant que nouveau paradigme de la spintronique. Ils présentent de nombreux atouts parmi lesquels : i) une stabilité aux champs parasites ii) une absence d’interférence magnétique entre différentes cellules au sein des dispositifs iii) une fréquence de commutation dans la gamme des THz, bien supérieure à celle des ferromagnétiques (1-50 GHz), iv) une basse consommation de commutation du fait de leur capacité à propager des ondes de spin et non des charges électriques dissipatives. Comme l’ordre antiferromagnétique ne génère aucun champ de fuite, les processus de nucléation et croissance des domaines lorsqu’ils soumis à différents stimuli constitue un territoire totalement inexploré. L’absence de techniques de microscopies adaptées à cette classe de matériaux doit être palliée afin de pouvoir appréhender le comportement des antiferromagnétiques, de les manipuler à l’échelle submicronique, et de bénéficier de leurs avantages intrinsèques dans de futurs dispositifs électroniques. Dans le cadre du projet PIAF, deux objectifs majeurs seront visés : 1- Le développement de nouvelles approches expérimentales permettra d’imager et de manipuler in situ la structure microscopique des antiferromagnétiques. Cette approche a été prolifique pour la compréhension et l’exploitation de leurs analogues ferromagnétiques. Différents types de microscopies originales (magnéto-optique, génération de seconde harmonique, magnétométrie de centre N-V) seront mises à profit pour imager les domaines, les parois de domaines, et les ordres périodiques de spin constituant la microstructure des antiferromagnétiques. Ces techniques complémentaires formeront un ensemble synergique pour l’étude des antiferromagnétiques. 2- Les observations microscopiques permettront d’ouvrir de nouveaux horizons avec la manipulation de l’ordre antiferromagnétique soumis à différents stimuli électriques, en maitrisant l’obtention de textures de spin à la demande. Les trois leviers envisagés pour la manipulation des microstructures antiferromagnétiques seront : i) l’effet de contrainte induite par couplage avec un matériau piézoélectrique, ii) l’effet de transfert de spin induit par un courant polarisé, iii) l’effet magnéto-électrique intrinsèquement présent dans les matériaux multiferroïques.

L'objectif de notre projet est de développer un nanosenseur innovant et bon marché utilisant la technologie nanopore pour la discrimination en taille de peptides à l'échelle de la molécule unique, avec une résolution d'un seul acide aminé, qui n'a jamais été atteinte jusqu'à présent. Une application industrielle de notre système est la détection, l'identification et la quantification de très petites quantités d'impuretés (quelques dizaines de molécules) dans un échantillon de peptides, avec une plus grande sensibilité que les méthodes d'analyse de pureté traditionnelles (à savoir la Chromatographie Liquide Haute Performance et la Spectrométrie de Masse).

A l’heure actuelle, il est bien connu que les voies muqueuses sont les sites d’administration préférés des médicaments, en comparaison avec les voies parentérales. Cependant, la conception de formulations capables de contrer la dilution par les fluides physiologiques et d'éviter leur élimination par le mucus continue de représenter un défi à relever. Les nanoparticules (NPs) polymères ont déjà montré leur capacité à résoudre partiellement certains aspects de ces problèmes, notamment grâce à leur petite taille et à leur surface mucoadhésive. Cependant, bien que les effets de la taille des NPs polymères et de leurs propriétés de surface aient été largement étudiés, il y a un manque indubitable de connaissances concernant l’effet de la morphologie des NPs sur leurs comportements vis-à-vis des muqueuses. Ainsi, la stratégie originale proposée ici est de considérer la forme des NPs comme un nouveau paramètre pour concevoir les nanomédicaments du futur, administrables par les voies muqueuses. Notre objectif est de concevoir des NPs de morphologie contrôlée et de comprendre leurs comportements après administration par les voies muqueuses en étudiant : (i) leur diffusion dans les fluides biologiques, (ii) leur diffusion à travers le mucus, (iii) leur interaction avec les constituants du mucus, principalement les mucines, (iv) leur capture par les cellules épithéliales et leur passage trans-muqueux. Des résultats préliminaires fournies par le coordinateur scientifique et son équipe ont montré (i) la faisabilité de la fabrication des NPs avec la possibilité de contrôler simultanément la morphologie, la taille et la surface, (ii) que des NPs de forme allongée et aplatie avaient une mobilité quatre fois plus rapide dans l’eau que des NPs sphériques. Basé sur des concepts nouveaux et inconventionnels, ce projet multidisciplinaire et ambitieux combine des approches fondamentales avec une vision appliquée des nanotechnologies dans le domaine de la santé. Il aborde une question pertinente et dispose d'un plan de travail complet. Les chances de succès sont élevées grâce aux preuves de concepts fournies par le coordinateur scientifique et son équipe. Outre les compétences du coordinateur scientifiques acquises au cours de ses dix années de carrière, le projet Shape bénéficie d'un soutien intellectuel très spécifique des membres de son équipe. Ce programme sera mené dans le laboratoire "Institut Galien Paris Sud", UMR CNRS 8612, qui représente l'une des structures de recherche les plus importantes dans le domaine des nanomédicaments en France et en Europe.

Les microscopies optiques super-résolues, couronnées par le prix Nobel 2014, représentent une véritable révolution en biologie. Leurs sensibilités ultimes, permettant le suivi de molécules uniques, ainsi que leur résolution nanométrique dévoilent, pour la première fois, l’organisation et les mécanismes intracellulaires au niveau moléculaire. L’objectif de ce projet est d’introduire un nouveau concept en microscopie optique super-résolue. La Microscopie Super-résolue Modulée (MSM) représente une approche radicalement nouvelle pour coder une information provenant d’émetteurs individuels. Cette information modulée est extraite par une détection homodyne multiplexée originale tirant pleinement profit des spécificités liées à la microscopie super-résolue, en particulier la distribution clairsemée des émetteurs. La MSM apporte ainsi l’ensemble des avantages de la détection homodyne en microscopie super-résolue. Or ces avantages sont particulièrement pertinents notamment en termes d’insensibilité aux fluctuations lumineuses et de gain de rapport signal/bruit. De plus, le concept étant générique, il est décliné dans le projet pour repousser les limites des techniques actuelles, notamment en termes de résolution ou de dynamique, et pour réaliser de nouvelles fonctionnalités comme la microscopie orientationnelle à l’échelle de la molécule individuelle. En MSM, la modulation spatiale de l’excitation lumineuse permet de coder la position transverse des émetteurs. Les modèles développés permettent d’espérer un gain de localisation d’un ordre de grandeur par rapport aux techniques standard (centroïdes). Les expériences préliminaires sont extrêmement encourageantes, montrant déjà des localisations record de l’ordre du nanomètre. La résolution axiale, permettant d’accéder à une imagerie 3D, représente toujours à l’heure actuelle un enjeu crucial en microscopie super-résolue requérant des techniques additionnelles complexes. Ce projet propose une solution originale en MSM pour coder cette information basée sur l’utilisation de franges d’interférence inclinées. Cette modalité peut être implémentée simplement sur un microscope 2D super-résolu standard. Il devrait offrir une iso-résolution 3D sans altérer la résolution latérale. De plus, la détection homodyne étant peu sensible aux aberrations induites par la traversée du milieu biologique, la dynamique de cette technique devrait être bien plus grande que celle associée aux techniques standards. Accéder à une imagerie de l’environnement local ou de l’orientation à l’échelle de chaque molécule individuelle à l’intérieur d’une cellule représenterait une véritable révolution en biologie en permettant d’aller au-delà de mesures statistiques moyennées. Or, malgré les efforts de nombreuses équipes de recherche dans ce domaine, ceci demeure très difficile, voire impossible. La MSM permet d’accéder à ces informations en codant la polarisation ou la durée de vie de fluorescence. Compatible avec les microscopies de super-résolution standard, sans en dégrader les performances, ce codage utilise l’ensemble des photons émis pour extraire l’information d’une molécule unique. La variabilité inter-moléculaire devient une nouvelle source d’information extraordinaire pour la compréhension des mécanismes cellulaires. Ce projet veut également démontrer les performances et l’intérêt de la MSM en répondant à des questions biologiques majeures. Les microtubules représentent un objet de référence pour la microscopie super-résolue mais au-delà, il apparaît depuis peu que l’architecture nanométrique fine du cytosquelette détermine en partie sa dynamique et donc impacte activité, polarisation et migration cellulaires, qui sont altérées dans les cellules cancéreuses et sont la cible du traitement par les agents anti-mitotiques. Différentes implémentations de la MSM permettront de les réveler dans ce projet. La technologie au cœur de ce projet est brevetée et la valorisation sera une préoccupation constante du consortium.

Les capteurs basés sur la spectroscopie d'absorption dans le mid-IR ont démontré d’excellentes caractéristiques et cela sans l’utilisation de marqueurs spécifiques pour la détection de substances chimiques et biologiques. Cependant, ces capteurs sont encombrants et chères, ce qui empêche leur utilisation courante. Le projet MIR-Spec propose d’explorer un nouveau type de spectromètres d'absorption dans le mid-IR pour surmonter ces limitations. Le concept innovant est basé sur l’utilisation de nanostructures sub-longueurs d’onde en silicium en exploitant toute la fenêtre de transparence du Si (jusqu'à ~ 8 µm en longueur d'onde). Ces travaux vont conduire au développement d’une nouvelle plate-forme photonique pour des applications dans le mid-IR. Le projet MIR-Spec est un Projets de recherche collaboratifs - Entreprises, qui rassemble un groupe de recherche académique (C2N), une fonderie Si (STMircroelectronics) et un utilisateur final (MirSense).

Le projet mEtaNiZo vise à utiliser des modes électromagnétiques spéciaux pour exalter l'interaction lumière-matière en vue de réaliser un nouveau type de photodétecteur infrarouge. Ces modes électromagnétiques, appelés modes ENZ (« epsilon near zero » pour fonction diélectrique proche de zéro) et ont été introduits par des membres du consortium (5 papiers dans des journaux à comité de lecture totalisant plus de 180 citations depuis 2012, et deux brevets). Ces modes ENZ possèdent d'excellentes propriétés d'exaltation et surtout de confinement du champ électromagnétique. Ils ont été étudiés de manière théorique par des membres du consortium mais ont aussi donné lieu à la réalisation d’un modulateur de réflectivité à contrôle électrique. Basé sur un mode ENZ supporté par un puits quantique unique, il permet une modulation de réflectivité à une longueur d'onde de 34.4 microns, à température ambiante, ce qui démontre le fort potentiel de ces modes pour l'exaltation de l'interaction lumière-matière. Basé sur ce succès, nous avons élargi le consortium avec un partenaire industriel, ce qui étend nos domaines de compétences, d'expertise et nos capacités techniques pour atteindre nos nouveaux objectifs. Les modes ENZ sont encore nouveaux dans la littérature et n'ont, à notre connaissance, pas encore été utilisés pour la photodétection. Des travaux préliminaires réalisés par le consortium montrent que, dans des conditions particulières, une anisotropie dans les fonctions diélectriques des matériaux utilisés améliore les effets recherchés, et donne aussi naissance à d'autres types de modes qui bénéficient aussi de l'effet ENZ. Le projet se divise en deux axes majeurs. Un premier axe sera focalisé sur la physique des modes ENZ dans des structures isotropes et anisotropes, sur la mise en œuvre de métamatériaux aux propriétés optiques et électroniques combinées, sur l'interaction des modes ENZ avec le transport électronique, menant au principe de photodétection dans de tels systèmes. Un deuxième axe est la mise en œuvre expérimentale de ces concepts par la conception, fabrication et réalisation de photo-détecteurs mettant en jeu les modes ENZ. En utilisant ces modes ENZ, le consortium a pour objectif de démontrer la photodétection à température ambiante dans l'infrarouge très lointain (30-40 µm dans notre projet) avec un détecteur de type photoconductif, et d'augmenter la température de fonctionnement des détecteurs quantiques de 10-20K dans l'infrarouge lointain (8-15 µm). Dans une seconde étape, de nouvelles structures seront conçues. Pour les détecteur de types photoconductifs, nous étudierons le système GaN-AlGaN très prometteur, pour une détection dans une bande 11-14µm à température ambiante. Pour les détecteurs quantiques, une absorption multi-photonique grâce au champ exalté permettrait d’augmenter la température de fonctionnement jusqu’à 150K. L'impact de ce projet est très large, de la compréhension fondamentale de la physique mise en jeu, au développement de concepts de rupture pour la réalisation de photodétecteurs. Augmenter la température de fonctionnement des détecteurs infrarouges va élargir les marchés accessibles. Des contraintes moins fortes en terme de refroidissement permettront une implémentation plus large, et une réduction des coûts d'usage de ces systèmes. Augmenter l'efficacité de détection introduit aussi des systèmes rapides (temps d'intégration plus courts) qui peuvent faire la différence face aux technologies existantes. Ce projet peut donc mener à une rupture technologique majeure dans la photodétection infrarouge et donner une réelle avance de phase aussi bien aux partenaires académiques qu'industriels de ce projet. Nous sommes aussi convaincus que de tels détecteurs seraient parfaitement complémentaires des sources infrarouges proposées commercialement par mirSense, une spin-off d'un membre du consortium. Des systèmes complets intégrés sont proposés comme perspectives à ce projet.

Les avancées notables de la médecine et du diagnostic médical réalisées dans la compréhension des maladies et les façons de les traiter ont toujours été accompagnées des progrès de la physique, de l’optique et de l’électronique qui ont permis d’observer le vivant avec une acuité croissante. De nos jours, les moyens d’observer les cellules, les tissus ou le corps humain sont tels, que la quantité de données issues de ces observations est gigantesque, trop grande pour qu’un humain puisse les intégrer à lui seul. Elle est si grande qu’on l’a personnifiée en lui donnant le nom de « big data ». Malgré cela, le corps humain et les cellules demeurent une dimension territoriale à explorer aussi vaste peut-être que notre univers. Même si les progrès sont notables et qu’ils s’accélèrent depuis l’avènement du troisième millénaire, on ne sait en fait que très peu de choses sur les mécanismes cellulaires et biochimiques du cancer par exemple. On en veut pour preuve la difficulté que la médecine a pour détecter précocement les cancers, pour anticiper leurs récidives et à pratiquer ce dont tout le monde parle, la « médecine personnalisée ». Nous avons donc décidé de nous rassembler, fondamentalistes, cliniciens, chirurgiens et biologistes, académiques et industriels, dans une synergie de recherche commune, avec une même vision de la recherche, le même esprit, la même énergie positive, pour travailler non plus en parallèle mais ensemble. Cet aspect est loin d’être trivial et est la première originalité de notre projet. Nous espérons que le lecteur pourra sentir cela au travers de la lecture du manuscrit. Notre équipe s’est attelé à concevoir de nouveaux outils pour la médecine personnalisée qui se tourne aujourd’hui vers de nouveaux challenges tels que les cellules tumorales circulantes et les vésicules extracellulaires dont les exosomes sont les plus représentatifs. Ces éléments figurés contiennent une mosaïque complexe de molécules du signal biologique, qu’ils véhiculent dans tout l’organisme en faisant la navette entre toutes les cellules. Ils participent à la genèse du cancer, à sa propagation et probablement à sa résistance à la chimiothérapie et à la radiothérapie. Ces éléments sont si petits qu’aucun instrument de laboratoire n’est capable de nos jours d’en analyser le contenu ou la surface de façon reproductible. Nous proposons donc de mettre au point un instrument de laboratoire miniaturisé embarquant des nanopores couplés à un système microfluidique capable de quantifier le contenu métabolomique ou protéomique d’une cellule ou d’un exosome. Nous bénéficions d’un consortium d’experts qualifiés dans tous les domaines qui nous sont utiles y compris un industriel capable de valoriser nos innovations et d’un brevet protégeant un premier prototype. Nous travaux nous offrent une fabuleuse opportunité de mieux comprendre les mécanismes du cancer et ouvre un marché de la médecine et de la biologie ambulatoires de plusieurs milliards d’euros. Cet appel d’offre revêt une importance économique capitale pour la recherche et l’industrie françaises dans un contexte international extrêmement compétitif au regard de la taille des marchés ciblés.

Nous développons une nouvelle technique pour améliorer la sensibilité et la résolution de microscopies optiques à grand champ en utilisant un guide d'onde à réseau résonant. Deux voies seront explorées: i) amélioration de fluorescence de nanoparticules par le guide d’onde à réseau résonant pour construire un microscope en fluorescence de grand champ; ii) contrôle de phase du mode résonant pour obtenir un microscope à contraste de phase, sans marquage. Parallèlement, nous proposons d’exploiter l’effet de réflexion hyper-spectrale du guide d’onde à réseau résonant pour réaliser un capteur bio/chimique ultra-sensible. Ce projet sera réalisé conjointement entre les deux laboratoires français (Laboratoire de photonique quantique et moléculaire de l'Ecole normale supérieure de Cachan, et Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d' Optique Graduate School) et deux laboratoires taïwanais (Physique et Science de vie de l'Université nationale de Chung Cheng).

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la principale famille de récepteurs membranaires responsables de la communication cellulaire. Ils sont impliqués dans la plupart des processus physiologiques et patho-physiologiques et constituent une cible majeure pour des candidats médicaments. La transmission du signal via les RCPG est complexe. En effet, un même récepteur peut activer des voies de signalisation multiples associées à des effecteurs distincts (protéines G, arrestines). Par conséquent, un ligand, qualifié de ligand biaisé, pourra avoir une efficacité distincte vis à vis de ces différentes voies. Par ailleurs, de nombreux partenaires des RCPG sont capables d'affecter, de façon allostérique, la transmission du signal. Parmi eux se trouvent des molécules de synthèse, les protéines de signalisation, des partenaires de dimérisation ou les lipides constituant l'environnement membranaire du récepteur. Comprendre comment se fait cette signalisation impose, de facto, de définir les mécanismes sous-jacents à tous ces processus. Le modèle en cours suppose que la multiplicité fonctionnelle des RCPG est liée à leur forte dynamique conformationnelle : les RCPG seraient des protéines particulièrement flexibles pouvant adopter de multiples conformations, chacune associée à un profil de signalisation donné. Les ligands, les partenaires protéiques et l'environnement membranaire pourraient moduler la dynamique d'interconversion entre les différents états, expliquant ainsi la signalisation biaisée et la modulation allostérique. Cependant, les preuves expérimentales permettant d'étayer ce modèle sont parcellaires. En effet, même si de nombreuses structures cristallographiques de RCPG ont été obtenues à ce jour, elles ne représentent qu'un échantillon très limité de la palette d'états conformationnels que peut adopter un récepteur. Seule la combinaison de méthodes biophysiques avec des résolutions spatiales et temporelles complémentaires pourra apporter une description complète de l'espace conformationnels que peut explorer un RCPG. Dans ce contexte, nous proposons d'étudier le dialogue conformationnel se produisant au cours de deux des principaux événements de la signalisation : la liaison du ligand et l'activation du récepteur. Nous utiliserons pour cela une stratégie fondée sur l'utilisation concertée des méthodes de RMN en solution et de dynamique moléculaire, principalement. Ces méthodes seront appliquées aux récepteurs de la ghréline (GHSR) et aux opiacés (KOP). En plus d'être des prototypes de RCPG, ces deux récepteurs sont des cibles importantes pour des applications biomédicales. En effet, des ligands du GHSR pourraient être utilisés dans le traitement de l'obésité, du diabète et de l'addiction alors que ceux du KOP devraient avoir un effet analgésique et anti-addictif. Plus précisément, nous nous proposons d'apporter une description des paramètres structuraux, thermodynamiques et cinétiques de la liaison des ligands par des mesures de RMN, de calorimétrie et de fluorescence (Tâche 1). En parallèle, nous analyserons, par RMN en solution et modélisation moléculaire, la dynamique conformationnelle des deux récepteurs et la façon dont elle est influencée par les ligands, l'environnement lipidique ou des partenaires protéiques (Tâche 2). Ces travaux s'appuieront sur les systèmes modèles développés au cours des dernières années par les membres du consortium (récepteurs purifiés reconstitués dans des nanodisques lipidiques, protéines de signalisation), ce qui garantit leur faisabilité. Il est ainsi à attendre de ces études une description détaillée des évènements moléculaires reliant la liaison d'un ligand à la stabilisation d’une conformation spécifique du récepteur puis à l'activation sélective d'une voie de signalisation. Ce faisant, elles pourraient également permettre de guider, sur des bases rationnelles, la conception de composés à visée thérapeutiques plus spécifiques et mieux ciblés.

La formation de liaisons carbone-carbone est un enjeu majeur pour l’industrie chimique. Néanmoins, seules quelques méthodologies sont disponibles pour la formation de liaisons carbone-carbone (C-C) sur des atomes de carbone non activés. Ces méthodes nécessitent le plus souvent l’utilisation de métaux nobles et des conditions expérimentales stringentes, peu compatibles avec les principes de la chimie verte et le développement durable. Il est donc d’un intérêt majeur de développer de nouvelles méthodologies et catalyseurs permettant la formation sélective de liaisons C-C. D’une manière fascinante, la méthylation de liaisons C-H non activées dans le vivant dépend exclusivement d’une nouvelle superfamille de métalloenzymes, appelées : « enzymes à SAM radical ». Ces enzymes utilisent des mécanismes sans précédent pour former des liaisons C-C. Les enzymes à SAM radical sont sans aucun doute les catalyseurs radicalaires les plus diversifiés et les plus versatiles du vivant, englobant plus de 300 000 membres et catalysant plus de 70 types de transformation biochimiques. Cela inclut virtuellement tous les types de réactions chimiques, dont certaines ne sont pas accessibles par la chimie de synthèse, comme l’a récemment démontré le coordinateur du projet Carb2zyme. Ces enzymes, en plus de catalyser des transformations uniques, ont des rôles biologiques majeurs. En effet, elles jouent un rôle central pour la biosynthèse d’une myriade de produits naturels y compris des antibiotiques majeurs (carbapénèmes, thiopeptides, gentamycine etc…), des agents anticancéreux et des toxines. Cependant, nous n’avons à ce jour qu’une connaissance très limitée de leurs mécanismes, et il n’est encore pas compris comment ces enzymes catalysent la formation de liaisons C-C impliquant des atomes de carbone non activés. Le projet Carb2zyme a pour objectifs (i) de décrypter le mécanisme complexe et sans précédent de nouvelles enzymes à SAM radical et (ii) de développer des catalyseurs innovants pour la synthèse de liaisons C-C, essentielle en chimie de synthèse. Au cours de ce projet, nous focaliserons sur les enzymes à SAM radical dépendantes de la vitamine B12 (cobalamine), catalysant le transfert de groupements méthyle à des atomes de carbone non activés, hybridés sp2 ou sp3. Actuellement, très peu d’enzymes de cette famille ont été étudiées et les partenaires de ce projet ont publiés des travaux pionniers (Pierre et al. 2012 Nature Chem Biol; Benjdia et al. 2015 Nature Commun; Parent et al. JACS 2016) démontrant la capacité unique de ces enzymes à catalyser la formation de liaisons C-C sur des atomes de carbone hybridés sp3 et sp2 via des mécanismes qui restent à élucider. Le consortium Carb2zyme réunit quatre partenaires de renommée internationale dotés d’expertises complémentaires dans les domaines de la biochimie, la chimie bio-inorganique, la chimie de synthèse et la biologie structurale. En combinant des approches multidisciplinaires et des technologies de pointe, nous ferons des progrès majeurs dans notre connaissance de ces enzymes uniques aux niveaux mécanistique et structural. Non seulement le projet Carb2zyme aura un impact majeur en biochimie et biologie structurale mais il sera également le point de départ pour la génération de nouveaux catalyseurs bio-inspirés par le développement de nouvelles métalloenzymes artificielles. Le projet Carb2zyme aura donc un impact scientifique et sociétale majeur allant des aspects catalytiques jusqu’à la biosynthèse de produits naturels.

L’étude de la cinétique enzymatique et du métabolisme cellulaire est centrale pour la compréhension de la fonction cellulaire et des maladies métaboliques. Dans les cas d’affections génétiques, la capacité d’adaptation des enzymes cellulaires détermine souvent la sévérité de la maladie. Plus de 500 maladies sont dues à des défauts du métabolisme. L'analyse des voies métaboliques et de leurs rapports représente une approche novatrice pour identifier de nouvelles cibles et molecules thérapeutiques. Un exemple récent impressionnant à cet égard est celui de la sclérose en plaques, dans laquelle l'administration de biotine, cofacteur de plusieurs enzymes clefs, permet une amélioration clinique. Une description détaillée des flux métaboliques dans la cellule est donc de prime importance pour comprendre et suppléer aux erreurs du métabolisme. Certaines voies métaboliques dans la cellule ont été modélisées numériquement, permettant de prévoir les effets de certaines substances sur la régulation des flux métaboliques. Cependant, très peu de telles prédictions ont été confrontées à des données expérimentales, comme dans le simple cas de la glycolyse. Nous étudierons en détails la phase oxydative du cycle des pentoses phosphates (CPP). Cette étape comprend une cascade de trois enzymes, la glucose-6-phosphate deshydrogénase (G6PDH), la 6-phosphogluconolactonase (6PGL) et la 6-phosphogluconate deshydrogénase (6PGDH). Cette étape produit le NADPH qui est un puissant anti-oxydant, également impliqué dans la biosynthèse des macromolécules et des acides gras. L’activité du CPP est modulée par de nombreux facteurs et son altération peut gravement affecter le fonctionnement de la cellule. Ces notions justifient pleinement une étude en profondeur des étapes individuelles ainsi qu’une étude globale de sa cinétique et de ses couplages à d’autres voies métaboliques. Nous étudierons chacune des enzymes de la phase oxydative du CPP, puis celui-ci de manière globale ; in vitro et dans des suspensions de cellules (CHO,... et Trypanosoma brucei, l'agent infectieux de la maladie du sommeil) de façon à se placer dans des conditions "pseudo-physiologiques", où les interactions avec d'autres voies métaboliques sont présentes. Ces études sont rendues possibles par les techniques de Polarisation Nucléaire Dynamique avec Dissolution (D-DNP) qui permettent des amplifications de signal de résonance magnétique nucléaire inédits de 4-5 ordres de grandeur. Cette augmentation de sensibilité permet de suivre la cinétique enzymatique par RMN avec une résolution temporelle inférieure à la seconde. L'observation du signal RMN par D-DNP des métabolites des enzymes du CPP permettra l'étude de leurs cinétiques individuelles et de la dynamique globale du cycle. Les effets de diverses drogues et inhibiteurs spécifiques seront ainsi repérés et quantifiés. Nous développerons et utiliserons la D-DNP pour aboutir à l'analyse quantitative de la cinétique enzymatique résolue en temps et accéder aux valeurs des constantes cinétiques, ce qui est impossible par les méthodes usuelles. La 6PGL de Trypanosoma brucei pourrait représenter une cible thérapeutique dans la maladie du sommeil. Ceci est suggéré par le fait que le CPP est présent non seulement dans le cytosol, mais aussi dans le glycosome, une organelle absente chez l'homme. Ceci pourrait augmenter la sélectivité de la toxicité de drogues envers le parasite. De plus, la toxicité des lactones, normalement évitée par la 6PGL, pourrait potentialiser cet effet. Ces perspectives sont d'autant plus intéressantes que l'arsenal thérapeutique contre T. brucei est limité, peu efficace et très toxique. Certains travaux récents évoquant la 6PDH comme cible potentielle sont une motivation supplémentaire. Dans cette optique, le premier inhibiteur de la 6PGL, synthétisé par le partenaire 3 sera également étudié par D-DNP, seul et en association avec des inhibiteurs du CPP et des molécules trypanocides, sur différentes lignées de T. brucei.