LABORATOIRE DE PHYSIQUE THEORIQUE DE LA MATIERE CONDENSEE

Membres permanents :

 

Thème 1 : Modélisation des liquides magmatiques pour les sciences de la Terre (B. Guillot, N. Sator)

Le manteau terrestre est constitué, pour l'essentiel, par des roches silicatées soumises à des conditions extrêmes. Le gradient thermique entre la base du manteau et la croûte crée des mouvements convectifs (convection solide) à l'origine de la tectonique des plaques et dont une des manifestations la plus spectaculaire est le volcanisme. En effet, la pression diminuant sous l'effet des mouvements ascendants, une fusion partielle du manteau peut avoir lieu localement en produisant des magmas silicatés. Des gaz dissous (H2O, CO2, gaz rares) dans ces magmas sont alors transportés du manteau à la surface et participent ainsi aux cycles biogéochimiques (comme celui du carbone). Pour mieux appréhender la géodynamique de notre planète et son évolution, il est nécessaire de connaitre les propriétés physico-chimiques des liquides magmatiques aux conditions régnant dans le manteau (1400-3000K et 0-1350 kbar). C'est dans ce but que nous développons des champs de force permettant de simuler par dynamique moléculaire les propriétés des magmas naturels. Nous nous intéressons actuellement à la solubilité du carbone et des gaz rares dans ces magmas ainsi qu'aux propriétés des liquides carbonatés produits lors de la fusion de roches carbonatées, et ce en collaboration avec des géochimistes.                                                  

 

Thème 2 : Mélanges aqueux, des solutions aux emulsions: une étude par simulations et équations intégrales (R. Mazighi, A. Perera, B. Kezic (doctorante)).

Les mélanges aqueux se caractérisent par l'existence d'une distribution micro-hétérogène des constituants, l'eau tendant à former des domaines nanométriques liés par liaison hydrogène. La restructuration de ces domaines, quand la concentration en soluté est variée, produit des variations de pente marquées sur la plupart des propriétés physiques de ces mélanges, montrant en quelque sorte un effet "d'accélération" à des concentrations bien précises. L'explication de telles variations par les méthodes statistiques des liquides (simulation et théorie), en termes de variations morphologiques de ces systèmes, nous conduit à explorer de manière unifiée comment fluctuations et émergence d'aggrégats-particules se couplent sur plusieurs échelles au sein de ces matériaux liquides allant des mélanges binaires aux émulsions plus complexes.                                                                 

Thème 3 : Dynamique chimique et thermique à l’échelle du nanomètre (C. Antoine, H. Berthoumieux, A. Lemarchand et P. Dziekan (doctorant))

Situés à l'interface entre physique statistique, dynamique chimique, hydrodynamique et physique des matériaux, les travaux de l'équipe concernent l'étude, à différentes échelles, de la dynamique et de la structure de systèmes réactifs loin de l'équilibre. Fondamentaux ou plus appliqués, ces travaux s'articulent autour des quatre thèmes suivants : (i) l'étude des différents régimes dynamiques de fronts de réaction-diffusion non-isothermes en milieu fluide, tant d'un point de vue macroscopique que microscopique, à l'aide de l'équation de Boltzmann ou de sa simulation directe (DSMC), de l'équation maîtresse ou encore d'équations aux dérivées partielles ; (ii) la modélisation aux différentes échelles, macroscopique, mésoscopique et microscopique, de la somitogénèse (formation des prévertèbres) à l'aide de mécanismes de Turing ; (iii) le développement de méthodes non-invasives, pour déterminer les mécanismes et les constantes cinétiques de réseaux de réactions chimiques et biologiques, en collaboration avec des expérimentateurs de la microfluidique thermique et réactive ; (iv) la modélisation, à une échelle submicrométrique, de la synthèse de matériaux nanoporeux (céramiques et plâtre) et l'étude de leur structure.

 

Thème 4 : Dynamique stochastique des systèmes réactifs et vivants (O. Bénichou, M. Moreau, R. Voituriez,, J.-F. Rupprecht (doctorant) )

L'étude des propriétés des marches aléatoires et leur application à la description de différents systèmes hors d'équilibre inspirés par la physico-chimie du vivant est au centre des recherches de l'équipe. Celles-ci combinent des modélisations des phénomènes physiques et l'étude par des méthodes analytiques de propriétés générales de marches aléatoires, individuelles ou collectives. Ces contributions s'organisent essentiellement selon deux axes. 1.Marches aléatoires et réactivité : Une réaction chimique nécessite tout d'abord la rencontre de réactifs qui doivent ensuite franchir une barrière d'énergie pour donner les produits de la réaction. Nous nous intéressons aux réactions limitées par la première de ces étapes, i.e. le transport. Sur l'exemple de la réaction de capture A+B->B, nous avons ces dernières années apporté des réponses explicites aux questions suivantes : (i) influence des coefficients de diffusion des réactifs sur la cinétique de la réaction ; (ii) influence d'un catalyseur ; (iii) influence d'un confinement géométrique. Cette dernière étude a permis de révéler une dépendance universelle du temps moyen de premier passage en fonction du volume du système et en fonction de la distance entre les points de départ et d'arrivée. Ces prédictions ont été appliquées à différents modèles emblématiques de la physique statistique (fractales, milieux désordonnés, diffusion anormale ...). Au-delà de ces aspects théoriques, ces résultats nous ont conduits à introduire la notion de "réactions contrôlées par la géométrie", pour lesquelles la position initiale devient un paramètre clé de la cinétique. 2. Marches aléatoires et processus de recherche de cibles :Combien de temps faut-il à un "chercheur" pour trouver une "cible" de position inconnue ? Cette question se pose dans de nombreux contextes, non seulement dans la vie quotidienne, typiquement dans la situation banale où l'on a perdu ses clefs, mais aussi pour la recherche de nourriture par des espèces animales. Nous avons récemment introduit un nouveau type de stratégies de recherche, qualifiées d'intermittentes, qui combinent des phases de recherche minutieuse et des phases de déplacement rapide "aveugles", au cours desquelles le chercheur n'essaie pas de détecter la cible. Nous avons montré qu'il est possible de jouer sur les temps passés dans chacune de ces deux phases afin d'optimiser le temps de recherche. Ce modèle a permis de rendre compte de données expérimentales à des échelles microscopiques (recherche d'une séquence cible par une protéine sur l'ADN, réactions en milieu cellulaire) aussi bien que macroscopiques (recherche de proies par des animaux).

Thème 5 : Modélisation multi-échelles de la matière vivante (M. Barbi, J. Mozziconacci, A. Lesne, J.-M. Victor )

L'activité scientifique de cette équipe est centrée sur la modélisation physique des systèmes vivants, à partir des mécanismes moléculaires à l'œuvre dans les cellules jusqu'à la biologie des systèmes. La principale spécificité de notre approche est d'intégrer différentes échelles de temps et de longueur dans nos modèles. Cela est rendu possible grâce à une approche mixant simulations physiques, mécanique statistique et analyse des réseaux. À l'échelle moléculaire, notre intérêt principal est la physique des mécanismes de reconnaissance protéines/ADN et les rôles spécifiques joués par les ions et par la séquence d'ADN. À l'échelle nanométrique, notre travail se concentre sur l'organisation tridimensionnelle des génomes eucaryotes, à partir du premier niveau de compaction de l'ADN - les nucléosomes - jusqu'à l'architecture du noyau, en passant par la fibre de chromatine. Cette activité implique de combiner différentes approches, allant des manipulations de molécule unique in silico à l'analyse intégrative de données biologiques haut débit. Un des objectif à long terme de ces activités est de mieux cerner les mécanismes de régulation des la transcription des gènes, un enjeu majeur pour la compréhension du rôle des gènes dans le fonctionnement normale et pathologique des organismes vivants.

Thème 6 : Rigidité, flexibilité et fonctionnalité des matériaux désordonnés (M. Micoulaut)

Cette activité à l’interface entre la mécanique statistique, les transitions de phase, les simulations moléculaires et la science des matériaux s’appuie sur la théorie de la rigidité, une approche moléculaire élégante qui s’inspire notamment de la notion de contrainte mécanique utilisée par Maxwell au XIXème siècle pour comprendre la stabilité des ponts et des treillis mécaniques. Ces concepts, étendus aux réseaux covalents désordonnés, peuvent être utilisés pour comprendre de manière quantitative comment les effets de composition chimique ou de pression modifient connectivité atomique, topologie et état de rigidité d’amorphes, de liquides ou de verres. Plusieurs thématiques, sont abordées dans ce cadre: 1) Transitions de rigidité et phase intermédiaire : l’augmentation de la connectivité d’un réseau amorphe donnant lieu à une transition de phase flexible-rigide se fait-elle de manière aléatoire ou auto-organisée ? Cette question ouvre sur la caractérisation théorique (modèles phénoménologiques ou simulations à l’échelle moléculaire) d’une phase intermédiaire isostatique ayant des propriétés remarquables comme par exemple la tendance à la compactification ou le faible vieillissement en phase vitreuse. Elle peut même se généraliser au cas où l’état de rigidité/flexibilité est piloté par la pression ou la température ce qui ouvre sur le lien entre rigidité, polyamorphisme et transition vitreuse. 2) Etat de rigidité et fonctionnalités des matériaux : La nature du réseau moléculaire (flexible, rigide) peut être utilisé pour imaginer de nouvelles fonctionnalités dans des matériaux innovants. Nous avons ainsi mis en évidence que la flexibilité à l’échelle atomique pouvait promouvoir la conduction ionique ce qui a permis de définir une nouvelle classe d’électrolytes solides. De même avons-nous entrepris par simulation moléculaire de lier l’état de rigidité et les propriétés structurales des matériaux chalcogénures « phase-change » utilisés dans l’industrie DVD.

Thème 7 : Inférence statistique et réseaux biologiques (J. Mozziconacci, A. Lesne)

 

Avec le développement des techniques dites à haut débit, la biologie est aujourd'hui confrontée à une avalanche de données de types très variés, comme par exemple des images de structures moléculaires ou bien des séquences d'ADN. Pour représenter ces données et les confronter à des modèles explicatifs, les méthodes issues de la physique statistique et de l'analyse des réseaux sont devenues incontournables. Le but de ce thème de recherche est de développer de nouveaux outils quantitatifs et de les utiliser pour mieux comprendre le fonctionnement des organismes vivants, notamment les fonctions impliquant leur génome.