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Control of the selectivity in Fischer-Tropsch synthesis

/ Ordomsky Vitaly / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 19-12-2016
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Beaucoup de matières premières renouvelables et fossiles peuvent être converties en carburants et en produits chimiques par une production intermédiaire de gaz de synthèse, mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. La synthèse Fischer-Tropsch (FT) est la méthode la plus prometteuse pour la transformation du gaz de synthèse en produits de valeur. Elle est actuellement utilisée pour la fabrication de carburants diesel ultra-purs, de carburants pour avions et de lubrifiants selon la réaction suivante : (2n + 1) H2 + nCO → CnH (2n + 2) + nH2O. De plus, la réaction FT a montré un fort potentiel pour la synthèse de produits chimiques à partir de gaz de synthèse comme les oléfines et les alcools. Cependant, les progrès dans ce sens ne sont toujours pas suffisants pour une application industrielle en raison de faibles sélectivités. Nous avons employé deux stratégies générales pour contrôler la sélectivité pendant la synthèse de produits chimiques et d'hydrocarbures par la synthèse FT à haute et basse température : 1) Le développement de nouveaux catalyseurs à base de cobalt et de fer. Nous avons élaboré d’une part, de nouveaux catalyseurs de Fe promus qui sont capables de convertir le gaz de synthèse dans des conditions très douces à pression atmosphérique avec une sélectivité élevée en oléfines légères. Nous avons d’autre part développé des nanoréacteurs à base de Co pour contrôler la distribution des longueurs de chaînes hydrocarbonées dans la synthèse directe du gazole. 2) La mise en œuvre de nouveaux modes de fonctionnement. Nous avons démontré que la sélectivité de la synthèse FT peut être contrôlée par l’ajout de différents composés. Ainsi par exemple, l'ajout d’aldéhydes initie-t-il la croissance de chaînes. Il peut être utilisé pour la synthèse de divers composés chimiques à base d'aldéhydes fonctionnalisés. En conclusion, de nouvelles stratégies pour la synthèse directe et sélective de produits chimiques à forte valeur ajoutée à partir de gaz de synthèse ont été proposées et élaborées dans ce travail. Ces nouvelles approches pourront être ensuite élargies à un grand nombre de réactions catalytiques importantes.

On the calculation of molecular properties of heavy element systems with ab initio approaches: from gas-phase to complex systems

/ Severo Pereira Gomes André / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 16-12-2016
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Cet ouvrage présente des approches théoriques applicables à la modélisation de la structure électronique d’espèces contenant des éléments lourds – c’est à dire, ceux qui se situent au-delà de la cinquième période de la classification périodique – avec un intérêt particulier porté aux lanthanides et actinides à cause de leur importance dans des domaines si variés que les appareils électroniques ou l’énergie nucléaire. La modélisation de la structure électronique pour tels systèmes requiert la prise en compte de trois ingrédients : (i) des effets relativistes dû aux vitesses très élevées des électrons du cœur, causées par la forte attraction des noyaux lourds ; (ii) des effets de corrélation électronique issus non seulement de l’interaction instantanée entre électrons mais aussi de la quasi-dégénérescences souvent présentes dans des éléments lourds possédant des couches électroniques d et f partiellement remplies ; et (iii) des effets de l’environnement sur les propriétés des molécules contenant les éléments lourds, car celles-ci se trouvent en général en phase condensée. Nous commençons par une brève révision des approches utilisées pour décrire la corrélation électronique et les effets relativistes avant de nous pencher sur la méthode intermediate Hamiltonian Fock-space coupled cluster à quatre composantes (4c-IHFSCC), de façon à établir sa précision par rapport à des résultats expérimentaux et ensuite montrer comment celle-ci peut être utilisée comme méthode de référence pour l’évaluation d’approches plus approximées. Ces comparaisons nous ont permis ensuite de choisir les approches les plus adéquates pour le traitement de systèmes moléculaires plus étendus, qui seraient impossibles à traiter avec des méthodes plus précises (et par conséquent plus coûteuses). Ensuite nous présentons la méthode frozen density embedding (FDE), une approche formellement exacte que moi-même et d’autres utilisons comme point de départ pour concevoir des méthodes efficaces du point de vue computationnel afin de décrire les effets de l’environnement dans le cadre des calculs de structure électronique. Nous discutons aussi de l’application de ces méthodes computationnelles à des systèmes contenant des éléments lourds pour montrer qu’elles sont capables de très bien décrire les effets de l’environnement (notamment dans l’absence de interactions fortes telles que des liaisons chimiques entre sous- systèmes), permettant ainsi l’utilisation d’approches telles que 4c-IHFSCC pour obtenir des spectres électroniques ou des énergies d’ionisation.

Balades aléatoires

/ Kahn Jonas / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 16-12-2016
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Mes thèmes de ces dernières années sont nés du hasard des rencontres, lors des colloques, des discussions entre collègues… En choisissant de m'étendre sur trois sujets très différents, j'essaierai de rendre un peu de la variété de ces «balades aléatoires». Dans un premier temps, nous allons déterminer les vitesses optimales d'estimation des lois des mélanges finis, corrigeant les vitesses erronées de la littérature dans le cas minimax. Nous obtenons du $n^{-1/(4d-2)}$ pour les mélanges à au plus $d$ composantes, ce qui converge bien vers les vitesses non paramétriques du cas à nombre infini de composantes. Cependant, les vitesses point par point sont en $n^{-1/2}$. Ceci s'explique par le fait que ce régime asymptotique est atteint très tard quand des composantes sont proches. Puis nous essaierons d'utiliser la théorie de l'acquisition compressée (compressed sensing) sous des contraintes physiques : la théorie de base part du principe que les points d'acquisition sont aléatoires indépendants les uns des autres. En IRM, par exemple, ils doivent suivre une courbe avec des contraintes de continuité, de vitesse et d'accélération. Certains algorithmes sont développés pour projeter une telle courbe sur une mesure cible. Enfin nous nous intéresserons au processus de droites de Poisson impropre. Il s'agit de jeter des droites dans l'espace uniformément au hasard, de les munir d'une vitesse limite, les droites les plus lentes étant denses. Il est alors possible de relier tous les points de l'espace en un temps fini en restant sur ces «routes». Un tel «réseau routier» est invariant par changement d'échelle et isométrie, et tous les «itinéraires» passent par les mêmes routes, à part près de leurs points de départ. Cela fait de ce réseau un SIRSN (scale-invariant random spatial network) au sens d'Aldous, en toute dimension. C'est le premier exemple naturel de cette structure.

Analyse orientée récepteur de la composition chimique des polluants atmosphériques

/ Sauvage Stéphane / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 15-12-2016
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Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur l’étude des liens sources-récepteurs des polluants atmosphériques, notamment basée sur des approches dites orientées récepteurs, consistant en l’analyse statistique d’observations réalisées sur des sites représentatifs, plus ou moins proches des sources. Ces approches sont développées sur la problématique des dépôts atmosphériques et, plus spécifiquement, sur celle des Composés Organiques Volatils (COV). Par principe, elles reposent sur des bases de données d’observations robustes, issues de campagnes intensives ou de programmes pérennes, comme l’observatoire MERA/EMEP dédié au suivi de la pollution de fond et à longue distance. La constitution et l’analyse objective de telles bases de données nécessitent le développement spécifique de méthodes de mesure robustes, l’harmonisation et l’évaluation de la qualité des observations allant de la détermination des incertitudes à la rédaction de protocoles standardisés. La composition chimique des polluants gazeux et particulaires comprend des traceurs spécifiques de sources primaires, biogéniques ou anthropiques, ou de processus conduisant à la formation de polluants secondaires comme l’ozone ou les aérosols organiques secondaires. L’analyse statistique de ces observations permet donc d’identifier des signatures de sources ou de processus, qui peuvent ensuite être étudiées en termes de contributions et d’impacts. L’attribution des sources ainsi obtenue à l’échelle urbaine, constitue un moyen d’évaluation unique des inventaires d’émission. En outre, les analyses combinées des gaz et aérosols apportent des éléments d’intérêt pour l’étude de processus de formation de polluants secondaires. Avec les changements dans les émissions, les tendances sur les concentrations observées traduisent aussi les évolutions des problématiques, notamment dans un contexte de changement d’environnement (socio-économique et climatique). Certains indicateurs, comme les concentrations en COV anthropiques primaires ou les dépôts en sulfate, ont des évolutions étroitement liées aux tendances des émissions. D’autres sont liées aux émissions naturelles dont la variabilité spatio-temporelle nécessite d’être mieux documentée. En revanche, ces liens ne sont pas linéaires entre les émissions de précurseurs et les concentrations en polluants secondaires comme l’ozone ou les dépôts de nitrate et d’ammonium. La compréhension des déterminants de ces tendances reste, par conséquent, cruciale notamment pour proposer des projections des évolutions de ces indicateurs, compte tenu des émissions et des scénarios possibles de changement climatique.

Advanced features for image representation: integrating relations, weights, depth, and time

/ Martinet Jean / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 15-12-2016
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D'immenses quantités de données visuelles sont générées tous les jours, telles que les images et vidéos produites par les utilisateurs des réseaux sociaux, les archives audiovisuelles, etc. Il est important de pouvoir chercher et retrouver des documents au sein de tels grands volumes de données. Notre travail en vision par ordinateur et recherche d'information multimédia porte sur les caractéristiques visuelles pour la représentation d'images. En particulier, dans la chaîne des traitements allant de l'acquisition des données visuelles via des capteurs jusqu'à l'interface utilisateur qui facilite l'interaction avec le système, notre recherche s'intéresse à la représentation interne des données visuelles sous la forme d'un index qui sert de référence pour le système concernant le contenu des images. Dans le contexte général de la représentation d'images, nous décrivons dans une première partie quelques contributions liées au paradigme populaire des "sacs de mots visuels". Nous discutons également la notion générale de relation, prise à différents niveaux – le bas niveau des mots visuels, le niveau transverse qui vise l'annotation intermodale, et le haut niveau des objets sémantiques. Finalement, nous nous attachons à définir des modèles de pondération, qui servent de pendants visuels des schémas de pondération utilisés pour le texte. En raison de la spécificité des personnes et visages en comparaison aux objets généraux, nous nous intéressons dans une seconde partie aux caractéristiques et méthodes spécifiques pour la reconnaissance de personnes. Deux directions sont développées pour pallier certaines limitations des approches 2D statiques basées sur des images de visages, avec l'objectif d'améliorer la précision et la robustesse des systèmes. L'une des directions intègre la profondeur dans les caractéristiques faciales, et l'autre exploite l'information temporelle dans les flux vidéo. Dans les deux cas, des caractéristiques et stratégies dédiées sont étudiées.

Contaminants organiques en milieux aquatiques : développements analytiques, techniques et applications

/ Net-David Sopheak / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 14-12-2016
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A ce jour, de nombreux polluants organiques entrent dans la composition de produits domestiques et industriels. Suite à des utilisations massives et variées, ces micropolluants sont émis et dispersés dans l’environnement et dans différentes étapes du cycle de l’eau. Ils présentent ainsi un risque sanitaire et environnemental majeur. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles (PCB), les pesticides, les phtalates issus des matières plastiques, les bisphénols, les produits pharmaceutiques et d’hygiènes corporels (PPCP) figurent parmi les micropolluants organiques toxiques, émergents et/ou prioritaires. Présents dans les eaux de surface et souterraines, ces micropolluants menacent les ressources en eau potable, perturbent le fonctionnement des écosystèmes et impactent la santé humaine via la ressource en eau ou la chaine trophique. L’adoption de la directive cadre sur l’eau (JOCE, 2000) implique une action nationale de recherche et de réduction des Rejets de Substances Dangereuses dans les Eaux (RSDE). La pollution induite par les micropolluants dans les milieux aquatiques est devenue une source de préoccupations très sérieuses qui nécessite la réalisation des études afin de mieux appréhender le comportement, l’origine, le devenir et l’impact de cette pollution, et d’y apporter des réponses appropriées. Néanmoins, si la nécessité de protéger la ressource en eau et les écosystèmes, les outils permettant d’apporter un diagnostic sur l’état actuel de contamination des milieux ou d’apporter des technologies moins coûteuses et efficaces pour éliminer ces micropolluants restent à définir et/ou approfondir. Les travaux de recherches présentés dans le cadre de cette HDR se focalisent sur cette thématique des « micropolluants organiques en milieu aquatique ». Il s’agit d’une présentation de la problématique de la pollution environnementale liée aux micropolluants organiques, des méthodes adéquates de détection et de quantification. Des études de cas dans les milieux aquatiques naturels et des possibilités d’élimination, principalement dans la région Hauts de France et sur quelques sites à l’étranger (Liban, Tunisie, Sénégal,…) sont présentées.

Optique linéaire et non-linéaire dans les gaz et les fibres optiques

/ Valentin Constance / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 13-12-2016
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Cette Habilitation à Diriger des Recherches est une synthèse de mes travaux de recherche, réalisés pendant ces quinze dernières années, qui portent sur la propagation des champs lasers intenses dans les gaz et l’interaction de ces champs avec les atomes de gaz rare d’une part, et sur la modélisation du guidage dans les fibres optiques microstucturées d’autre part. Dans le but de créer des sources lasers à des longueurs d’onde très courtes, dans le domaine spectral XUV, je me suis principalement consacrée à l’étude théorique et expérimentale de la génération d’harmonique d’ordre élevé dans les gaz. L’optimisation de cette source en terme de nombre de photons XUV, de qualité de faisceau et de focalisation représente une grande partie de mon travail effectué au Laboratoire d’Optique Appliquée (Palaiseau). Avec un souci d’interprétation des résultats expérimentaux, j’ai contribué à l’élaboration de plusieurs modèles théoriques. Cette source a permis plusieurs expériences d’application en collaboration avec plusieurs équipes nationales et internationales dans le cadre de projets européens LaserLab. A mon arrivée au laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules, mes recherches ont porté sur les fibres optiques microstructurées. Forte de mes compétences acquises dans ces deux laboratoires, j’ai développé un modèle pour la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans les fibres à cœur creux de type kagomé, présentant l’avantage de guider avec très peu de pertes sur une grande largeur spectrale. Dans le cadre du projet Laser MégaJoule, la fiabilisation du module préamplificateur est au cœur de mes études actuelles. L’efficacité d’amplification et de conversion est assurée par un profil transverse de faisceau laser aplati. Dans l’optique de fournir des fibres microstructurées air/silice qui délivrent directement un mode fondamental transverse aplati. J’ai mené un grand nombre d’études et de simulations de structure de fibres. Ces fibres très prometteuses intéressent aussi les industriels des lasers de découpe et de marquage. Mon engagement dans cette thématique m’a permis d’encadrer plusieurs stagiaires et de co-encadrer un doctorant.

Les apports de la théorie du risque dans la compréhension des décisions médicales

/ Crainich David / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 08-12-2016
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Ce travail de recherche mobilise des outils microéconomiques afin de mieux comprendre les préférences et décisions individuelles face au risque dans le cadre du modèle d’espérance d’utilité. Il s’articule autour de quatre axes. Le premier est consacré à l’analyse des préférences et propose notamment des interprétations et de nouvelles mesures de l’intensité de la prudence et de la tempérance. Ces avancées sont exploitées dans le second axe dans lequel les comportements des agents sont analysés. Parmi ces comportements, une distinction est effectuée entre le comportement d’individus confrontés à des risques financiers et ceux consécutifs à des risques de santé. Le troisième axe de recherche évalue les politiques publiques en matière de santé. Deux thèmes y sont abordés. Le premier est relatif aux conséquences du développement des tests génétiques et de l’information qu’ils amènent sur les décisions économiques des agents alors que le second est consacré aux répercussions sur l’activité des hôpitaux des modifications de leur mode de financement. Enfin, le dernier axe de recherche est consacré à des travaux empiriques qui mettent en évidence l’importance des préférences face au risque d’individus confrontés à des décisions économiques.

Molecular modeling of the dynamics and reactivity at surfaces of atmospheric or interstellar interest

/ Toubin Céline / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 07-12-2016
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Ce mémoire d’HDR présente une synthèse des travaux de recherche effectués depuis mon stage postdoctoral et ma nomination en tant que Maître de Conférences à l’Université Lille 1. La thématique générale relève de l’étude théorique, par modélisation moléculaire, de la dynamique et de la réactivité sur des surfaces d’intérêt atmosphérique et interstellaire. Ces surfaces vont de la glace atmosphérique cristalline et de la glace amorphe comme celle qui recouvre les particules atmosphériques ou interstellaires jusqu’aux surfaces complexes d’aérosols formés de particules de sel marin recouvert d’acides gras en passant par des surfaces de butanol. Pour l’échantillonnage de l’espace des configurations, les simulations sont effectuées par dynamique moléculaire classique sur des surfaces de potentiel modélisées par des champs de force, un soin particulier étant apporté leur paramétrisation. Ces travaux se caractérisent par une forte interaction avec des groupes d’expérimentateurs, de théoriciens ou d’astrophysiciens, en particulier dans le cadre de projets ANR et du Labex CAPPA. Les résultats marquants sont détaillés pour quelques applications. Des perspectives de développement sont également proposées.

Towards the full quantum simulation of large molecular systems in an environment

/ Pelaez Ruiz Daniel / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 02-12-2016
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Le but de mon activité de recherche est la description précise des systèmes moléculaires d’un point de vue théorique. Mon travail est dédié aux processus nécessitant une approche purement quantique de la dynamique nucléaire avec un intérêt particulier pour ceux où l’approximation de Born-Oppenheimer cesse d’être valide. Mes principaux axes de recherche sont d’une part : (i) Les études de structure électronique en présence des effets non adiabatiques et d’autre part, (ii) l’application et le développement méthodologique pour une description précise des effets nucléaires quantiques. Les études au sein du premier axe, les études impliquent une description statique (avec des noyaux classiques) des Surfaces d’Énergie Potentielle (SEP) (états électroniques fondamental et excités) de molécules présentant un intérêt pour l’atmosphère. Ces études consistent à analyser des points stationnaires et des croisements entre surfaces ainsi que la topographie des SEPs. L’obtention de ces informations permet une compréhension fine et profonde de la physico-chimie des systèmes moléculaires. Toutefois, les effets quantiques nucléaires (énergie de point zéro, effet tunnel, interférences,…) sont omniprésents et doivent être pris en compte afin de décrire de façon précise des processus physiques ou chimiques comme des spectres moléculaires ou encore les processus photo-chimiques. La prise en compte de ces effets dans la modélisation de la dynamique nucléaire quantique constitue mon second axe de recherche. Dans le cadre de l’algorithme MultiConfiguration Time Dependent Hartree (MCTDH), une partie de mon travail consiste donc à étudier et à développer des représentations efficaces des Surfaces d’Énergie Potentielle nécessaires dans le cadre des simulations en dynamique quantiques sur une grille. L’autre partie consiste à utiliser cette approche afin de déterminer des spectres, infrarouges, d’absorption électronique, ou encore de photodissociation. Mes projets futurs de recherche consistent à poursuivre le développement de méthodes permettant la simulation, purement quantique, de systèmes moléculaires environnés d’intérêts astrochimique, astrophysique et atmosphérique.

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