Thèse Thermodiffusion Colloïdale pour la Récupération d'Énergie et le Refroidissement Passif H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé Direction de la thèse : Sawako NAKAMAE ORCID 0000000191743165 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2027-02-28T23:59:59 La demande croissante en refroidissement et en gestion thermique, comme dans les centres de données, les dispositifs électroniques et les infrastructures à forte consommation énergétique, représente un défi majeur pour une utilisation durable de l'énergie. Dans ce contexte, les différences de température entre les systèmes en fonctionnement et leur environnement offrent des possibilités de valorisation de la chaleur à basse température, proche de l'ambiante. Le développement de technologies capables de produire de l'électricité à partir de faibles différences de température, tout en améliorant la dissipation passive de la chaleur, pourrait ainsi contribuer à une meilleure efficacité énergétique des systèmes. Les fluides complexes contenant des nanoparticules électriquement chargées présentent un potentiel prometteur, car leurs propriétés thermiques, électriques et de transport de matière peuvent être ajustées grâce à leur composition et à leurs caractéristiques physico-chimiques.
Un phénomène particulièrement intéressant est la thermodiffusion, dite l'effet Soret, par lequel les particules et les ions se redistribuent sous l'effet d'un gradient de température. Selon le signe du coefficient de Soret, S_T, les particules migrent vers les régions froides ou chaudes, générant des gradients de concentration susceptibles de modifier la densité du fluide et d'induire une convection solutale. Celle-ci pourrait ainsi jouer un nouveau mécanisme de contrôle des transferts de chaleur et de matière, y compris dans des configurations où la convection thermique naturelle est absente (ex. chauffage par le haut). Cependant, les mécanismes physico-chimiques déterminant le sens de la thermodiffusion colloïdale, ainsi que son influence sur l'écoulement du fluide à l'échelle macroscopique, restent encore mal compris.
Ce projet de thèse poursuit un double objectif. Premièrement, nous étudierons comment la thermodiffusion colloïdale peut être contrôlée par la taille, la concentration, la composition et la chimie de surface des nanoparticules, ainsi que par l'environnement électrolytique, et déterminerons son influence sur les transferts de chaleur et de matière. Une attention particulière sera portée à la convection induite par l'effet Soret et à sa capacité à modifier le transport ionique et les transferts thermiques. Deuxièmement, nous chercherons à déterminer si ce mécanisme peut augmenter la puissance électrique récupérable dans des cellules thermoélectrochimiques (TEC) et parallèlement, améliorer le refroidissement passif dans des configurations chauffées par le haut, où la convection naturelle thermique est inhibée.
Le projet de recherche proposé est principalement expérimental et sera co-encadré par le SPEC/IRAMIS et le laboratoire PHENIX/CNRS de Sorbonne U.. Des suspensions aqueuses de nanoparticules d'oxyde de fer, dont la chimie de surface sera contrôlée, seront préparées et caractérisées. Leurs coefficients ST seront mesurés à l'aide d'un dispositif de diffusion Rayleigh forcée développé au laboratoire PHENIX. En parallèle, des mesures thermoélectrochimiques, de conductivités thermique et ionique, ainsi que de viscosité seront étudiés au SPEC, permettront d'établir les relations entre thermodiffusion, convection et production d'électricité. Selon les collaborations de recherche externes, des techniques d'imagerie dans le proche infrarouge (IMFT, Toulouse), des simulations de dynamique moléculaire et des multiphysiques (LEMTA, U. Lorraine) pourront également être mises en oeuvre afin d'étudier la redistribution des particules et les écoulements des fluides. Enfin, des démonstrateurs PoC de générateurs TEC et de dispositifs de refroidissement passif permettront d'évaluer les bénéfices réels de la convection contrôlée par l'effet Soret.
Ce projet se situe à l'interface de la physico-chimie colloïdale, de la thermodynamique, de la physique des fluides, des transferts de chaleur et de matière et de l'électrochimie. Thermoelectrochemical (TEC) cells convert heat into electricity through the thermogalvanic response of redox species under a temperature gradient1. Inclusion of charged colloidal particles can further enhance the generated TEC voltage via Soret effect, i.e., redistribution of colloidal particles and ions, producing concentration gradients whose magnitude and direction depend on the Soret coefficient (ST). A positive (negative) ST signifies that the solutal particles migrate toward cold (hot) regions. This redistribution can create density gradients that drive solutal convection, distinct from thermal driven natural convection, potentially altering heat and mass transfer. We hypothesise that Such Soret-controlled convection and resulting coupling phenomena can be controlled and exploited for thermal energy harvesting and for passive cooling. The project aims to establish colloidal thermodiffusion (TD) as a control mechanism behind thermoelectrochemical (TEC) energy harvesting, storage and passive cooling, by experimentally investigating the physico-chemical origins of the ST through systematic variation of particle size, composition, concentration, surface chemistry and the electrolyte environment, providing a controlled route from thermodiffusion to macroscopic heat and mass transport phenomena in colloidal solutions. A chain of experimental investigations will be performed to validate the bespoke hypothesis; from direct Soret coefficient determination to fluid flow and transport measurements, linking thermal, mass-transfer hydrodynamic and thermoelectrochemical responses, supported by multiphysics simulations. Our goal is to verify whether Soret-induced convection can accelerate the redox-species transport leading to higher extractable electrical power despite competing heat-transfer effects. Moreover, we will test whether such convection can enhance heat transfer in top-heated configuration where natural convection is suppressed

Ce projet se situe à l'interface de la physico-chimie colloïdale, de la thermodynamique, de la physique des fluides, des transferts de chaleur et de matière et de l'électrochimie. De solides connaissances en physico-chimie expérimentale ainsi qu'une expérience dans la manipulation des liquides sont souhaitées. Une expérience en mesures optiques, en électrochimie, en simulation numérique ou en instrumentation expérimentale constituerait un atout.

• Instrumentation
• Chimie