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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

Publications de l'équipe NEO

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31documents trouvés

17098
09/06/2017

Basic mechanisms of Al interaction with the ZnO surface

Y.GAO, L.MARIN MERCADO, E.C.MATTSON, J.CURE, C.E.NANAYAKKARA, J.F.VEYAN, A.LUCERO, J.KIM, C.ROSSI, A.ESTEVE, Y.J.CHABAL

University of Texas, NEO

Revue Scientifique : Journal of Physical Chemistry C, 32p., Juin 2017, DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b02661 , N° 17098

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Abstract

Deposition of Al on ZnO is used for a number of electronic and catalytic devices as well as for nanoenergetic materials. The interface structure and chemical composition often control the performance of devices. In this study, in situ infrared spectroscopy, X-ray photoemission spectroscopy, and low energy ion scattering are combined to investigate the initial stage of interface formation between Al and ZnO. We find that (a) the interface is highly inhomogeneous with discontinuous Al patches, leaving ∼10% of the ZnO surface uncovered even after deposition of an equivalent of 11 nm-thick Al film; (b) upon Al deposition, Al reduces ZnO by forming Al2O3 and releasing Zn to the surface, and this process continues as more Al is deposited; (c) the reduced surface Zn atoms readily desorb at 150 °C; and (d) at higher temperature (>600 °C) all Al is oxidized as a result of mass transport. Deposition of a thin Al2O3 layer on ZnO prior to Al deposition effectively prevents Al penetration and Zn release, requiring higher temperatures to oxidize Al.

139893
16410
01/06/2017

A multi-phase micro-kinetic model for simulating aluminium based thermite reaction

V.BAIJOT, M.DJAFARI ROUHANI, C.ROSSI, A.ESTEVE

NEO

Revue Scientifique : Combustion and Flame, Vol.180, pp.10-19, Juin 2017 , N° 16410

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Abstract

This paper presents a hierarchical multiscale approach based on a micro-kinetic model enabling to predict temperature, pressure and species generated during the thermite reaction of Al nanoparticles mixed with CuO nanoparticles. Overall, our phenomenological model integrates and combines series of complex atomistic mechanisms, e.g. diffusion and phase transformation, gas phase reactions and interphase exchange mechanisms, in particular molecular condensation, evaporation and decomposition. Thermodynamics considerations as well as Density Functional Theory (DFT) calculations are used to implement rate equations expressing the complex reactions at solid/liquid/gas interphases. We demonstrate that the model can predict the pressure–time dependence, the different phases and compositions with good accuracy at significantly low computational cost. The influence of Al and CuO particle size, compaction or density, alumina shell thickness and stoichiometry on the pressure and temperature versus time is theoretically predicted with fairly good agreement with available experimental data. A maximum pressure of 47 MPa and adiabatic temperature of 3500 K are obtained at high compaction, i.e. 50% of the TMD (Theoretical Maximum Density) for stoichiometric mixture, where AlO is shown to be the prevailing gaseous species. At low compaction, we highlight the role of ambient oxygen condition for which the model gives a maximal pressure of 4.2 MPa for Al rich mixtures (stoichiometric ratio of 1.2).

139192
17086
22/05/2017

Nano-engineering of reactive interfaces to monitor Al/CuO nanolaminate properties

L.MARIN MERCADO, A.ESTEVE, Y.GAO, Y.J.CHABAL, C.ROSSI

NEO, University of Texas

Manifestation avec acte : E-MRS Spring Meeting 2017 du 22 mai au 26 mai 2017, Strasbourg (France), Mai 2017, 1p. , N° 17086

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139520
17088
22/05/2017

On-chip ignition of Al/CuO reactive multilayers: influence of the heating surface area and substrate nature

A.NICOLLET, L.MARIN MERCADO, A.BELISARIO, C.ROSSI

NEO

Manifestation avec acte : E-MRS Spring Meeting 2017 du 22 mai au 26 mai 2017, Strasbourg (France), Mai 2017, 1p. , N° 17088

Diffusable

139524
17087
22/05/2017

A multi-phase micro-kinetic model for simulating the combustion of aluminothermites: case of Al/CuO powder mixtures

V.BAIJOT, M.DJAFARI ROUHANI, C.ROSSI, A.ESTEVE

NEO

Affiche/Poster : E-MRS Spring Meeting 2017 du 22 mai au 26 mai 2017, Strasbourg (France), Mai 2017, 1p. , N° 17087

Non diffusable

139522
17116
22/05/2017

DNA nanotechnologies for investigating Al/CuO nanoenergetic biocomposite: synthesis and thermal properties

T.CALAIS, V.BAIJOT, MC.BLATCHE, M.DJAFARI ROUHANI, Y.J.CHABAL, A.ESTEVE, C.ROSSI

NEO, I2C, University of Texas

Manifestation avec acte : E-MRS Spring Meeting 2017 du 22 mai au 26 mai 2017, Strasbourg (France), Mai 2017, 1p. , N° 17116

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139755
17096
12/04/2017

Etat de l'art sur les études de vieillissement des nanomatériaux réactifs déposés en couches minces multiples

A.LAHIMER, A.ESTEVE, C.ROSSI

INSAT Tunis, NEO

Rapport de Contrat : Collaboration de recherche CNRS-LAAS/CEA-DAM n° 148672, Avril 2017, 25p. , N° 17096

Diffusion restreinte

139537
17084
01/03/2017

Innovating in energetic materials from the bottom

C.ROSSI

NEO

Rédacteur invité : Propellants, Explosive, Pyrotechnics, Mars 2017, Vol.42, pp.235-236 , N° 17084

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139517
17005
16/01/2017

Exploration des nanotechnologies ADN pour l'auto-assemblage de nanoparticules d'aluminium et d'oxyde de cuivre : application à la synthèse de matériaux énergétiques

T.CALAIS

NEO

Doctorat : INP de Toulouse, 16 Janvier 2017, 286p., Président: J.P.AIME, Rapporteurs: S.BIDAULT, D.GASPARUTTO, Examinateurs: Y.CHABAL, A.ESTEVE, R.M.SAUVAGE, Directeurs de thèse: C.ROSSI, A.BANCAUD , N° 17005

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01482306

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Abstract

Over the two last decades, DNA technologies have intensively been studied for the organization of matter at the nanoscale. Thanks to the bio recognition of two complementary DNA single-strands and their hybridization into the famous helicoidally structure, self-assembling of gold nanoparticles into highly ordered micrometer scale crystals has been demonstrated. The aim of this thesis is to explore this new nanotechnology for the self-assembly of Al and CuO nanoparticles driven by DNA hybridization into highly energetic nanocomposites by optimizing contact surfaces between reducer (Al) and oxidizer (CuO). We chose Streptavidin-biotin strategy to functionalize nanoparticles with DNA single strands. More precisely, the functionalization process includes four steps: (i) stabilization of Al and CuO nanoparticles into separate colloidal suspensions; (ii) Streptavidin grafting on Al and CuO nanoparticles; (iii) DNA grafting on Al and CuO Streptavidin-modified nanoparticles thanks to the addition of biotin function at the end of the DNA single strands; (iv) mixing of the two colloidal DNA-functionalized suspensions in order to realize the self-assembly. First, we precisely determined, characterized and optimized each step of the functionalization process. Then, we studied more precisely two key points of the process: we analyzed the interaction of DNA bases with technologically relevant oxide surfaces by studying the grafting of Thymidine by theoretical and experimental approaches; and we studied the influence of the coding sequence used for the DNA strands on the quality of the self-assembly, also by theoretical and experimental analyses. Finally, we optimized environmental conditions to realize the self-assembly of DNA-functionalized nanoparticles into energetic nanobiocomposites. Morphologies and energetic properties were established as a function of synthesis conditions, and the control of energetic performances of nanobiocomposites as a function of aggregation process was demonstrated.

Résumé

Les nanotechnologies ADN utilisées pour l’auto-assemblage de nanoparticules d’or ou de métaux nobles ont connu un important développement au cours des vingt dernières années, permettant l’organisation de particules agencées en nano-cristaux, grâce à la reconnaissance biologique inégalable de deux brins complémentaires d’ADN. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter ces nanotechnologies à l’assemblage de nanoparticules d’Al et de CuO en vue d’élaborer des matériaux composites énergétiques à haute performance, grâce à l’augmentation des surfaces en contact entre réducteur (Al) et oxydant (CuO) par la maîtrise de l’organisation spatiale des nanoparticules. Ainsi, la fonctionnalisation séparée des nanoparticules d’Al et de CuO dispersées en solution colloïdale par des monobrins d’ADN complémentaires doit amener, après mélange des deux solutions colloïdales, à l’agrégation des particules par l’hybridation des brins d’ADN greffés en surface. La stratégie de fonctionnalisation choisie ici est générique : la protéine « Streptavidine » est d’abord greffée sur la nanoparticule, puis le brin d’ADN fonctionnalisé par un groupe biotine à une de ses extrémités, se fixe sur la Streptavidine. Au-delà de l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, l’enjeu double de ces travaux tient dans l’établissement d’un protocole de fonctionnalisation fiable et reproductible, propre aux procédés de micro-électronique, pour envisager un report de ces matériaux sur puce, mais également dans le contrôle des performances énergétiques grâce à l’ADN. Nous avons tout d’abord étudié l’interaction entre les bases de l’ADN et la surface des particules afin d’identifier les interactions non-spécifiques pouvant provoquer une agrégation non-maîtrisée. Dans un second temps, nous nous sommes appliqués à élaborer le protocole en caractérisant précisément chaque étape de fonctionnalisation. Nous avons ensuite étudié l’agrégation des particules fonctionnalisées en fonction de nombreux paramètres expérimentaux telles que la longueur de la chaîne ADN, la séquence de l’oligonucléotide, ou encore la composition saline de la solution. A cause de l’existence d’interactions non-spécifiques, nous avons optimisés ces paramètres de façon à assurer une agrégation dirigée uniquement par l’hybridation des brins d’ADN et améliorer ainsi de façon conséquente l’organisation spatiale des particules et les performances énergétiques des matériaux synthétisés. Enfin, nous avons démontré la possibilité de contrôler les performances énergétiques des nanobiocomposites en maîtrisant leur microstructure grâce à l’ADN.

Mots-Clés / Keywords
Nanothermites; Colloïdes; Auto-assemblage par ADN; Nanoparticules d'Al; Nanoparticules de CuO; Colloids; DNA Self-Assembly; Al nanoparticles; CuO Nanoparticles;

138695
17021
13/01/2017

Conception et développement d'un micro détonateur électrique intégrant des nanothermites pour l’amorçage par impact d’explosifs secondaires

L.GLAVIER

NEO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Janvier 2017, 214p., Président: N.NOLHIER, Rapporteurs: G.BAUDIN, B.A.KHASAINOV, Examinateurs: F.JOUOT, L.RENAUD, Directeurs de thèse: C.ROSSI , N° 17021

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01483791

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Abstract

Pyrotechnic systems are the keys for satellite launching on orbit. Those systems are used for engines ignition, stage separation and self-destruction. To activate those functions, different kinds of initiators are used to generate a flame, pressure from gas expansion and a shock wave. This work involved following a previous thesis on the design of a smart and safe initiator able to generate a flame and pressure form gas expansion but not a shock wave which is essential in achieving certain functions on launcher as stage separation or neutralization. The initiator is controlled by digital controls, it contain local energy source, a mechanical safety barrier and a PyroMEMS for electro-pyrotechnical conversion. This initiator is design to replace Ariane 5 current pyrotechnic systems because they are heavy, bulky, they contain a large amount of pyrotechnic substance increasing the cost of manufacturing and storage. Also detonators and transmission lines contain lead banned by the European REACh. The goal of these thesis works is to design the detonator function from the flame generated by the PyroMEMS containing 50 µg of Al / CuO nanothermite in a volume less than 0,83 cm3 without primary explosive. After the study of secondary explosive priming methods and the state of art of existing detonators, we designed an architecture running on propelling a projectile creating a shock wave through impact. The development of this detonation function was used to study the behavior of different nanothermites (Al / CuO, Al / Bi2O3, Al / MoO3 and Al / PTFE) with a view to propel the projectile. An interior ballistic model is developed with the combustion nanothermite Al / Bi2O3 doped with PTFE to conclude that it is not possible to use nanothermites to ignite in detonation by impact, by a shock to Detonation Transition) a secondary explosive such as RDX. A propulsion system based on the combustion of RDX initiated by nanothermite is then developed with a study of the influence of dimensional parameters. Achieving a final demonstrator allows to ignite in detonation RDX demonstrates the feasibility of such a device and to validate design choices.

Résumé

Les systèmes pyrotechniques sont des éléments clés pour la réussite de la mise en orbite des satellites. Ils permettent de réaliser des fonctions vitales pour la phase de vol d'un lanceur spatial comme l'allumage des moteurs, la séparation d'étages ou la neutralisation. L'actionnement de ces systèmes pyrotechniques nécessite différents effets pyrotechniques comme la génération d'une flamme, d'une grande quantité de gaz et une onde de choc. Ces travaux de thèse interviennent à la suite d'une précédente thèse sur la conception d'un initiateur intelligent et sécurisés permettant de générer une flamme et une grande quantité de gaz mais pas une onde de choc, indispensable dans la réalisation de certaines fonctions pyrotechniques comme la séparation d’étages ou la neutralisation. L’initiateur est piloté par commandes numériques, il dispose d’un stockage local d’énergie, d’une barrière de sécurité mécanique, et d’un PyroMEMS permettant de convertir un signal électrique en un signal pyrotechnique. Cet initiateur est conçu pour remplacer les systèmes pyrotechniques actuellement utilisés sur Ariane 5 car ils sont lourds, encombrants, ils contiennent une grande quantité de substance pyrotechnique augmentant les coûts de fabrication et de stockage, pour finir, les détonateurs et les lignes de transmissions contiennent du plomb dont l’obsolescence est programmé par la règlementation Européenne REACh. L’objectif de ces travaux de thèse est de concevoir et de développer la fonction détonation à partir d’un PyroMEMS contenant moins de 50 µg de nanothermite Al / CuO dans un volume inférieur à 0,83 cm3. Après l’étude des méthodes d’amorçage d’explosif secondaire et de l’état de l’art des détonateurs existant, nous avons conçu une architecture fonctionnant sur la propulsion d’un projectile créant une onde de choc par impact. Le développement de cette fonction détonation a permis d’étudier le comportement de différentes nanothermites (Al / CuO, Al / Bi2O3, Al / MoO3 et Al / PTFE) dans l’optique de propulser le projectile. Un modèle de balistique intérieure est développé avec la combustion de nanothermite Al / Bi2O3 dopé avec du PTFE permettant de conclure qu’il n’est pas possible d’utiliser des nanothermites pour amorcer par impact un explosif secondaire tel que le RDX. Un système de propulsion basé sur la combustion du RDX initié par nanothermite est alors développé avec une étude de l’influence des paramètres dimensionnels. La réalisation d’un démonstrateur final qui permet d’amorcer en détonation du RDX démontre la faisabilité d’un tel dispositif et permet de valider des choix de conception.

Mots-Clés / Keywords
Balistique intérieure; Détonateur; Explosif secondaire; Nanothermites; PyroMEMS;

139022
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