Thèse Nucléation et Condensation dans des Mélanges de Polymères H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : GULLIVER Direction de la thèse : Mathilde REYSSAT ORCID 0000000278109140 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-15T23:59:59 La nucléation - émergence d'une nouvelle phase au sein d'une phase métastable - est un phénomène universel qui gouverne des processus aussi variés que la formation des nuages, la cristallisation des protéines ou la compartimentalisation cellulaire. Pourtant, la Théorie Classique de la Nucléation (TCN) échoue systématiquement à prédire les taux de nucléation observés expérimentalement, avec des écarts pouvant atteindre plusieurs ordres de grandeur. Cette difficulté fondamentale tient à la taille nanométrique des noyaux critiques, qui les rend inaccessibles à l'observation directe : les mesures sont nécessairement indirectes, effectuées bien après le stade de nucléation.
Ce projet de thèse vise à accéder aux tout premiers instants de la nucléation en exploitant les mélanges de polymères en solution aqueuse comme systèmes modèles. Dans ces systèmes, l'énergie libre de mélange est de type Flory-Huggins : la contribution entropique, inversement proportionnelle au degré de polymérisation N, est intrinsèquement faible. Le rayon du noyau critique, R* = 2/F, est ainsi transposé à l'échelle mésoscopique (100 nm - 10 m), le rendant optiquement résolvable. Ces systèmes constituent également des modèles biomimétiques des biocondensats, les organites sans membrane des cellules, qui défient la TCN en exhibant une croissance arrêtée et dont l'origine reste à élucider.
La stratégie expérimentale repose sur une caractérisation quantitative et progressive. Dans un premier temps, la tension interfaciale entre les phases séparées sera mesurée avec précision par aspiration par micropipette et goutte tournante, deux techniques complémentaires permettant d'accéder à des valeurs extrêmement faibles (de l'ordre du N/m), inaccessibles par tensiométrie classique. En parallèle, l'énergie libre volumique F sera déterminée par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et diffusion dynamique de la lumière, permettant de construire le diagramme de phases complet (cloud point, binodales, spinodales) des mélanges de polymères étudiés (PVA/eau). La combinaison de et F permettra de prédire quantitativement R* et de se placer dans les conditions expérimentales pour lesquelles les événements de nucléation sont optiquement résolvables.
La nucléation sera alors observée directement dans des compartiments microfluidiques thermostatés. L'absence de contact avec des parois solides permet d'empêcher les événements de nucléation hétérogène. La microscopie confocale à haute vitesse permettra de suivre individuellement l'apparition et la croissance précoce des noyaux, d'en extraire R*, la densité de noyaux et le taux d'induction, et de confronter ces mesures aux prédictions de la TCN. La phase pré-nucléation (R
Ce projet fournira ainsi la première confrontation directe et quantitative entre les paramètres de nucléation mesurés et les prédictions de la TCN, ouvrant la voie à une compréhension des écarts observés et, plus largement, à une description physique rigoureuse de la séparation de phase liquide-liquide en milieu complexe.
La TCN échoue à prédire les taux de nucléation, avec des écarts de plusieurs ordres de grandeur, parce que les noyaux critiques sont nanométriques et inobservables directement. Dans les solutions de polymères, l'énergie libre de mélange est de type FloryHuggins : la contribution entropique, en 1/N, est faible, ce qui déplace R* vers l'échelle mésoscopique (100 nm - 10 m) et rend la nucléation optiquement résolvable. Ces systèmes servent aussi de modèles des biocondensats, dont la croissance arrêtée reste inexpliquée.

Confronter directement les paramètres de nucléation mesurés aux prédictions de la Théorie Classique de la Nucléation (TCN). Concrètement : mesurer indépendamment et F pour prédire R* = 2/F ; observer individuellement les événements de nucléation et en extraire R*, la densité de noyaux et le temps d'induction ; sonder le régime de prénucléation (R
Comprendre la croissance arrêtée des condensats de la cellule.

Mesure de (gamme N/m) par aspiration par micropipette et goutte tournante ; détermination de F par DSC et diffusion dynamique de la lumière, avec construction des diagrammes de phases (PVA/eau, PEG/Dextran/eau). La combinaison -F prédit R* et fixe les conditions optiquement résolvables. Observation directe dans des compartiments microfluidiques thermostatés (suppression de la nucléation hétérogène) par microscopie confocale rapide. Sondage du régime R < R* par FCS, et caractérisation structurale nanométrique et mesure en champ moyen des dynamiques de condensation par SAXS par le biais d'une collaboration externe.

Nous recherchons un profil d'expérimentateur en physique de la matière molle, à l'aise aussi bien côté expérimental que théorique. On cherche surtout quelqu'un de curieux, autonome et rigoureux, qui a envie de comprendre les phénomènes en profondeur, avec un intérêt (ou déjà des compétences) pour la microfluidique, la thermodynamique, les transferts aux interfaces, et la matière molle.