avril 2002 - Physico

RAPPORT D’ACTIVITE :
octobre 2001/ avril 2002
David LACOSTE
Laboratoire de Physico-Chimie Théorique, ESA CNRS 7083
ESPCI, 10 rue Vauquelin, 75005 PARIS
11 avril 2002
Avant propos
Ce rapport contient un bref descriptif de mes activités de recherche pendant la
période octobre 2001 à avril 2002, depuis mon arrivée au laboratoire PCT à l’ESPCI.
Cette période inclus la fin de mon stage postdoctoral à l’Université de Pennsylvanie de
octobre à fin décembre 2001. Le texte du rapport fait référence à la liste de publications
qui est séparée. Ce rapport s’articule autour des points suivants :
1. CURRICULUM VITAE .................................................................................................................. 2
2. ACTIVITES DE RECHERCHE .................................................................................................... 3
3. PRODUCTION SCIENTIFIQUE .................................................................................................. 6

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1. CURRICULUM VITAE
Etat civil : Né le 22/12/1971 à Montpellier, nationalité française, célibataire
CURSUS ACADEMIQUE
1992 : Admission à l'Ecole Normale Supérieure (ENS-Ulm), Paris.
1992-1993 : Licence de Physique, Université Paris VI.
1993-1994: - Maîtrise de Physique, Université Paris VI.
- Stage de recherche à UCLA d’une durée de 8 mois.
1994-1995: - Magistère Interuniversitaire de Physique, Université Paris VI.
- DEA de Physique Quantique (responsable: S. Haroche).
- Stage de DEA au SPEC au CEA à Saclay.
RECHERCHE
1995-1996: Scientifique du contingent au Laboratoire de Physique Statistique
de l'ENS dans l’équipe de S. Balibar.
1996-1999: Doctorat au Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux
Condensés (directeur R. Maynard) : Diffusion de la lumière dans
les milieux magnéto-optiques et chiraux, encadré par B. Van
Tiggelen. Cette thèse a été obtenue le 29 novembre 1999 avec la
mention très honorable et les félicitations du jury.
01/2000-12/2001: Stage postdoctoral à l’Université de Pennsylvanie, à Philadelphie
aux USA dans le groupe de T. Lubensky.
07/2001 : CR2 CNRS au laboratoire de Physico-Chimie Théorique.
ENSEIGNEMENT
1995-1996: Agrégation de Physique (Option Physique).
1996-1999: Allocataire moniteur de l’Université Joseph Fourier, chargé de la
préparation des TP pour l’Agrégation de Physique de Grenoble.
2002 : Préceptorats du cours Echelles de temps et d’espace à l’ESPCI.
ENCADREMENT
1996-1999: Encadrement de stagiaires du LCMI (niveau maîtrise) à Grenoble.
04/2002: Encadrement de stagiaire de DEA.

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2. ACTIVITES DE RECHERCHE
RECHERCHES POSTDOCTORALES
De janvier 2000 à décembre 2001, j’ai effectué un séjour postdoctoral à l'université
de Pennsylvanie à Philadelphie (USA) avec T. Lubensky. J’ai travaillé sur plusieurs
projets qui concernent différents aspects de la physique des fluides complexes, en
particulier sur les cristaux liquides, les suspensions de colloïdes ou les gels.
Mes recherches postdoctorales ont d’abord porté sur l'optique des cristaux liquides
cholestériques [12]. Comme la période de ces cristaux liquides est de l’ordre du micron,
ces milieux possèdent des diffractions de Bragg dans le domaine optique. Les cristaux
liquides cholestériques possèdent une grande variété de phases (en particulier les phases
bleues), qui sont toutes optiquement actives. Avec T. Lubensky, j’ai formulé une
théorie d’indice effectif qui permet de décrire les principales propriétés optiques de ces
milieux. Dans la littérature, ce type d’approche repose en général sur l’hypothèse que la
longueur d’onde de la lumière est beaucoup plus grande que le pas du cholestérique.
Nous avons au contraire établi la dépendance exacte des propriétés optiques en fonction
de la longueur d’onde pour une longueur d’onde arbitraire. Nos résultats ont été
comparés avec un très bon accord à des spectres de l’activité optique dans la phase
bleue BPIII.
En parallèle à ces travaux, je me suis intéressé aux transitions de phases dans les
ferrofluides, qui sont des suspensions de colloïdes magnétiques. Des expériences
réalisées récemment dans le groupe d’A. Yodh de l’université de Pennsylvanie ont mis
en évidence la formation de motifs ordonnés à 2D (phases hexagonales et phases de
bandes) dans des couches minces à bases de ferrofluides et ou de mélanges de
ferrofluides avec d’autres colloïdes non-magnétiques (sphères de latex ou cristaux
liquides en forme de bâtonnets par exemple) en présence d’un champ magnétique.
Comme dans d’autres systèmes présentant des motifs similaires (films de Langmuir,
grenats magnétiques, supraconducteurs de type I..), l’ordre observé résulte d’une
compétition entre des forces attractives à courte portée et des forces répulsives à longue
portée. Avec T. Lubensky, j’ai développé une approche rigoureuse reposant sur la
théorie des transitions de phases de Landau, pour décrire la formation de motifs
ordonnés dans les ferrofluides sous champ magnétique [11].
Au cours de mon séjour postdoctoral, je me suis également intéressé aux propriétés
élastiques des gels nématiques [13]. Un gel nématique est constitué par un réseau de
chaînes réticulées dans lequel sont incluses des molécules en forme de bâtonnets
rigides. Ce gel est plongé dans un solvant qui est supposé isotrope. Les expériences de

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Tanaka dans les gels isotropes ont montré qu’il était possible de produire un
changement discontinu dans le volume d’un gel isotrope en changeant la qualité du
solvant: lorsque la qualité du solvant décroît suffisamment, le gel s’effondre sur lui-
même en expulsant le solvant. Dans les gels nématiques, le changement discontinu de
volume s’accompagne d’une transition de phases isotrope-nématique due à la
compression osmotique des bâtonnets inclus dans le gel. Dans le diagramme de phases
d’un gel de ce type, j’ai obtenu avec A. Lau et T. Lubensky dans certaines conditions la
coexistence de deux phases isotropes, de deux phases nématiques, ou d’une phase
isotrope avec une phase nématique.
RECHERCHES EN COURS, PROJETS…
Je poursuis actuellement les travaux mentionnés plus haut dans le domaine des
ferrofluides en collaboration avec le groupe d’A. Yodh de l’Université de Pennsylvanie.
En effet notre formulation théorique [11] est suffisamment générale pour pouvoir être
étendue au cas des mélanges entre ferrofluides et particules non-magnétiques, un cas
qui n’a été pratiquement pas considéré dans la littérature. Les expériences de
l’Université de Pennsylvanie utilisent des particules non-magnétiques sphériques mais
aussi des particules rigides en forme de bâtonnets (en pratique il s’agit de molécules de
virus fd). En mélangeant des ferrofluides sous champ magnétique avec des bâtonnets,
les chercheurs de cette université ont obtenu des phases nouvelles. L’une de ces phases,
est constituée de structures multi-lamellaires en forme de poireaux, orientés
parallèlement au champ magnétique appliqué, et formés par une alternance de couches
cylindriques de ferrofluides et de cristaux liquides. Des structures multi-lamellaires
assez analogues ayant la forme d’oignons ont été découvertes par D. Roux, et se sont
avérés très riches pour des applications biomédicales (technique d’encapsulation).
L’importance de ce champ d’applications justifie une étude des conditions d’obtention
de structures multi-lamellaires avec des ferrofluides.
Dans la continuation de mes recherches doctorales menées à Grenoble dans le
domaine de la diffusion multiple de la lumière, je m’intéresse aux techniques de
diffusion de la lumière qui permettent de sonder des milieux complexes (en particulier
des milieux pâteux ou simplement des milieux très concentrés) sans les perturber. Ces
applications sont développées par le Groupe de recherche : Propagation et imagerie en
Milieux Aléatoires (GdR du CNRS G1847 PRIMA), avec lequel je suis resté en contact
depuis le début de ma thèse en 1996. Une des applications de la diffusion multiple les
plus importantes est la technique de DWS Diffusive Wave Spectroscopy, qui permet

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l’étude de la dynamique locale et de la structure de milieux complexes. Dans les
expériences de F. Lequeux de l’ESPCI, la DWS est utilisée pour obtenir des
informations dynamiques sur le vieillissement du milieu. Ces nouvelles utilisations de
la DWS nécessitent de repenser certains aspects de la technique développée au départ
pour obtenir des informations statiques. Plus généralement il convient de cerner ce que
les techniques de diffusion de la lumière peuvent apporter à la détermination des
structures (encore méconnues) des phases qui n’existent qu’en présence de contraintes
mécaniques.
Enfin je travaille également sur un autre aspect de la diffusion multiple de la
lumière en collaboration avec T. Maggs qui est spécialiste de théorie des polymères. En
effet une chaîne de polymères et un parcours suivi par la lumière en diffusion multiple
sont décrits tous deux par des marches aléatoires. Cela permet d’envisager des liens très
concrets entre les deux domaines. Par exemple les développements récents dans la
description des effets topologiques dans les polymères au moyen de phases
géométriques, permettent d’envisager des applications dans le domaine de l’optique où
les phases géométriques se manifestent au niveau de la polarisation de la lumière. A
terme, ce projet devrait permettre de mieux comprendre les propriétés de transport de la
polarisation de la lumière dans des milieux complexes, aléatoires ou anisotropes.
Depuis mai 2002, je co-encadre le stage de O. Al Hammal sur ce sujet. Des
collaborations sur le plan expérimental sont prévues avec le laboratoire de L. Leibler
dans le domaine de la diffusion multiple de la lumière.