Les 10 finalistes 2024 du concours Ma Thèse en 180 secondes

Pour en savoir plus sur les enjeux de ce concours, découvrez les interviews des organisateurs ici : 

• Adriana Tapus, Directrice de l'École doctorale IP Paris
• François Roueff, Directeur adjoint de l'EDMH
• Kees Van der Beek, VP Recherche d'IP Paris

Après une session de pré-sélection en interne, ce sont 10 finalistes qui ont été retenus pour la finale qui aura lieu mercredi 13 mars 2024 de 18h30 à 20h30, à l’École polytechnique

1 - Aubin Parmentier, Institut photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF), une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, ENSCP, IPVF SAS, Institut Polytechnique de Paris – « Encapsulation de cellules solaires par la méthode de dépôts de couches minces ALD (Atomic Layer Deposition) »

Des couches ultraminces pour préserver les cellules photovoltaïques de l’humidité

Tout a commencé il y a bien des années, lorsque les humains se sont lancés à l’assaut du changement climatique. Pour combattre la bête qu’ils avaient eux-mêmes engendrée, ils ont par exemple inventé les panneaux photovoltaïques. Les premières générations à base de silicium, déjà efficaces, ont été améliorées avec l’apparition des cristaux pérovskite dont les propriétés physico-chimiques sont énergétiquement plus avantageuses. Malgré tout, ces cellules solaires de dernière génération demeurent instables chimiquement et craignent fortement, entre autres choses, l’humidité. 

Avec sa thèse, c’est justement de cette humidité qu’Aubin cherche à isoler les nouvelles cellules photovoltaïques. Le tout en conservant leurs performances. Il utilise pour cela une technique déjà connue, l’ALD (Atomique Layer Deposition), consistant à déclencher une réaction chimique entre un gaz spécifique et un objet cible pour créer une couche protectrice solide autour de lui. Tout le défi d’Aubin est alors d’enrober les cellules photovoltaïques de plusieurs de ces pellicules très fines - 100 000 fois plus qu’une feuille de papier - afin de créer la barrière la plus efficace possible contre la diffusion de la vapeur d’eau. En s’appuyant sur la modélisation, le doctorant sélectionne les meilleurs matériaux et structures pour arriver à ses fins. Il intègre également des composés organiques à ses capsules pour augmenter leur résistance et leur flexibilité et ainsi envisager la conception de panneaux solaires souples.

2 - Marie Sigallon, Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), une unité mixte de recherche CEA, CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris – « Optimisation de la production d'électricité du polymère piézoélectrique PVDF soumis à des déformations »

Un revêtement capable de générer de l’électricité par le seul fait de marcher dessus

Bien que les applications à grande échelle soient encore à leurs débuts, des matériaux ont cette capacité de convertir une contrainte mécanique en électricité (et réciproquement). Ce sont les matériaux piézoélectriques. Le PVDF (polyvinylidene difluoride) en particulier est un matériau polymère qui se présente sous forme d’un film mince, souple et robuste, déjà utilisé dans l’industrie pour de nombreuses applications.

Pour espérer concrétiser ses promesses, il faut d’abord comprendre ce phénomène de piézoélectricité au sein du PVDF, dans le but de l’optimiser par la suite. Marie Sigallon scrute ses propriétés physico-chimiques dans son doctorat. Expérimentalement, grâce à un dispositif astucieux, elle mesure précisément la production d’électricité en fonction de l’excitation mécanique et de la résistance électrique. Théoriquement, grâce à l’aide de spécialistes de mécanique, elle modélise le comportement du PVDF par des équations mettant en jeu les paramètres physiques clés du matériau, ce qui pose des questions à la fois difficiles et passionnantes. 

Enfin, la jeune chercheuse se sert du film de PVDF comme base pour fabriquer de nouveaux matériaux. Pour cela, elle utilise le grand accélérateur d’ions lourds (le GANIL, en Normandie), pour créer des pores de taille nanométrique dans lesquels elle insère différents composés métalliques. Cette nanostructuration modifie les propriétés du matériau. Par exemple, utiliser de l’oxyde de zinc permet d’augmenter de 30% la réponse piézoélectrique par rapport au PVDF seul. Ces matériaux composites permettent aussi de tester le modèle théorique, pour voir s’il est capable de prédire les propriétés de ces nouveaux matériaux. À terme, le but est de prédire les propriétés de tel ou tel matériau composite à base de PVDF, afin de guider la fabrication vers ceux qui seront les plus intéressants pour ces applications piézoélectriques.

3 - Haifa Taoum, Laboratoire de physique des interfaces et couches minces (LPICM), une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris – « Capteurs de gaz pour des batteries plus sûres : une révolution de la sécurité énergétique »

Ça (sur)chauffe pour les batteries lithium-ion

Smartphones, ordinateurs, voitures et vélos électriques…les batteries lithium-ion se sont imposées dans notre vie quotidienne. Mais elles présentent des défis, notamment en termes de sécurité. Plus de 25 000 cas de surchauffe de batteries lithium-ion ont été recensés au cours des cinq dernières années. Ces incidents conduisent parfois à des explosions et des accidents.

En effet, la surchauffe déclenche souvent des fuites de gaz, qui peuvent mener à un gonflement de la batterie et à l’explosion. De plus, certains des gaz émis sont toxiques, comme le monoxyde de carbone. Dans le cadre de son doctorat, Haifa Taoum cherche à améliorer la sécurité des batteries, en les rendant « intelligentes » grâce à des instruments capables de diagnostiquer et d’anticiper les comportements anormaux. Elle conçoit de A à Z un capteur de gaz miniaturisé, en fabricant des nanotubes de carbone, mesurant seulement un nanomètre de diamètre et qui sont très bons conducteurs. Sur ces nanotubes, elle dépose des feuillets de matériaux à deux dimensions, dits dichalcogénures de métaux de transitions, d’une haute pureté. Ces matériaux hybrides, en contact avec un gaz, modifient leur résistance électrique, permettant une détection rapide en cas de fuite. 

Le défi actuel consiste à atteindre un haut niveau de sélectivité dans la détection et l’identification des gaz impliqués. Ensuite, la chercheuse intégrera ces capteurs mesurant environ 1 cm de côté dans des batteries lithium-ion de taille similaire à celles des smartphones, elles aussi conçues sur mesure au sein de l’équipe au LPICM.

4 - Antoine Gamet, Laboratoire Synthèse Organique (LSO), une unité mixte de recherche CNRS, ENSTA Paris, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris – « Synthèse totale de substances naturelles activables par la lumière pour le contrôle de phénomènes biologiques »

Un interrupteur moléculaire pour lutter contre le cancer

La latrunculine B est une molécule produite naturellement par des éponges marines. Très toxique-elle est capable de tuer certains poissons, elle agit sur les filaments d’actine, qui composent notamment le « squelette » des cellules, et jouent un rôle clé en leur permettant de se déplacer ou de communiquer entre elles. Et si on pouvait détourner les propriétés toxiques de la latrunculine B à des fins thérapeutiques, par exemple pour éliminer des cellules cancéreuses ou contrôler leur mouvement ?

Avant de concrétiser cette application, des défis de recherche fondamentale sont à relever. Dans sa thèse, Antoine Gamet a mis au point une nouvelle stratégie de synthèse de cette molécule complexe à partir de composés plus simples. Il s’agit d’une part de préserver les éponges marines, et d’autre part de trouver un moyen d’introduire une petite modification : une sorte d’interrupteur moléculaire qui rendrait la latrunculine B activable à la demande grâce à la lumière. Ainsi, cette molécule serait rendue inoffensive en l’absence de lumière, non toxique car n’étant pas capable d’interagir avec l’actine, puis elle serait réveillée localement, à l’endroit et au moment voulu dans une cellule vivante avec un faisceau laser. 

Grâce à ce contrôle spatiotemporel de l’activité biologique, outre les applications thérapeutiques, ces travaux fourniront un nouvel outil aux biologistes pour étudier le rôle si important des filaments d’actine dans les cellules.

5 - Jérôme Kowalski, INRIA, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, SIMBIOTX – « Modèles de transport vasculaire et de pharmacocinétique du corps entier : application à l'imagerie, en particulier du foie »

Imagerie médicale : une approche innovante pour une chirurgie plus précise

L’imagerie médicale a énormément contribué au progrès de la médecine ces dernières décennies.  Que ce soit par IRM ou scanner – entre autres – il est notamment possible d’obtenir des images du corps humain de façon dynamique, c’est-à-dire avec une succession d’images dans le temps. 

L’objectif de la thèse de Jérôme Kowalski est d’améliorer l’interprétation des signaux de ces imageries lorsqu’un produit de contraste est injecté dans le patient, qui permet en particulier de mettre en évidence la circulation du sang. Il collabore notamment avec des chirurgiens qui utilisent une technique d’imagerie par fluorescence afin de vérifier si le sang peut s’écouler correctement de nouveau après une opération de la jambe. Comment, à partir des images, en tirer des informations quantitatives sur le débit sanguin qui aideront l’équipe médicale à préciser son diagnostic ?

Pour obtenir ces informations, Jérôme modélise le transport de l’agent de contraste dans les vaisseaux sanguins, à travers le corps humain. Un défi : l’écoulement du sang dans le complexe réseau tridimensionnel qui irrigue notre organisme est régi par les équations de la mécanique des fluides dites de Navier-Stokes, que les mathématiciens n’arrivent toujours pas à résoudre en toute généralité. Il faut donc trouver des techniques astucieuses afin d’obtenir un « modèle réduit » de la circulation du sang dans les différents organes, permettant de calculer les informations dans un temps raisonnable tout en gardant une bonne précision.

6 - Olivier Marchand, Laboratoire d’Hydrodynamique (LADHYX),une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris – « Écoulement et capture d'aérosol par un textile flexible : des masques chirurgicaux à la collecte de brouillard »

Étudier les textiles de près pour retenir les gouttelettes d’eau

Quel est le point commun entre un filet à brouillard et un masque respiratoire ? Ce sont tous les deux des textiles très fins à travers ou autour desquels s’écoulent des fluides. Leur objectif est de retenir ou capter des gouttelettes d’eau en suspension dans leur environnement. C’est ainsi que dans certaines régions arides du globe, des filets de pêche étendus verticalement captent sans besoin d’énergie l’eau en suspension dans les nappes de brouillard. Côté respiratoire, les masques et leurs fibres enchevêtrées ont été essentiels pour limiter la dispersion des gouttes d’eau de notre respiration et limiter la transmission du Covid-19. Toutefois, selon les conditions dans lesquelles nous les utilisons (éternuement, rafales de vent…) et selon les caractéristiques de leurs fibres, ces outils montrent une efficacité variable. Les porteurs de lunettes se souviendront par exemple de la buée sur leurs lunettes en respirant à travers leur masque anti-covid.

Le défi d’Olivier Marchand est donc de proposer un modèle d’écoulement des fluides et des gaz autour et à travers ces textiles, dans le but de les optimiser et de capturer plus d’eau ou de virus. Au cours de sa thèse, le doctorant a fabriqué une machine capable de tousser et d’éternuer comme un humain afin d’étudier comment l’air traverse le masque et s’échappe par les différents points de fuite. Il a également utilisé une soufflerie à brouillard pour mesurer la quantité d’eau collectée dans les fibres des filets et a étudié expérimentalement et théoriquement la résistance aérodynamique des textiles. Ainsi, en combinant capillarité, milieux poreux et hydrodynamique, Olivier a élaboré un modèle d’écoulement qu’il a testé dans les conditions du réel. La chasse aux gouttelettes est ouverte. Les pénuries d’eau et les futures pandémies respiratoires n’ont qu’à bien se tenir.

7 - Constantin Philippenko, Centre de Mathématiques Appliquées (CMAP), une unité mixte de recherche CNRS, Inria, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris – « Compression bidirectionnelle pour l'apprentissage fédéré hétérogène »

Le futur de l’IA se conjugue avec durabilité, équité et confidentialité des données

Pour entraîner une intelligence artificielle (IA), il faut collecter de nombreuses données. Or de nos jours, la tâche n’est pas aisée tant ces dernières sont partout (téléphones portables, objets connectés, maisons, hôpitaux…) et tant il est primordial qu’elles y restent pour préserver leur confidentialité. Dans ce contexte, les scientifiques ont développé l’apprentissage fédéré, une méthode dans laquelle les données sont conservées dans leur serveur d’origine tandis qu’un système central orchestre l’entraînement de l’IA.

Cette architecture présente toutefois des limites, notamment sur le plan écologique. En effet, la communication entre les machines génère un important coût énergétique et une empreinte carbone conséquente. De plus, chaque serveur est unique et susceptible de générer des données différentes (on parle de clients statistiquement hétérogènes). Difficile dès lors de développer un modèle d’IA qui conviendrait à tout le monde. Par conséquent, comment entraîner une intelligence artificielle durable et pertinente, y compris avec des serveurs différents ? 

Au cours de sa thèse, Constantin Philippenko a exploré la piste de la compression des données afin d’en réduire leur taille et de consommer moins d’énergie. Cependant, toutes les techniques de compression ne se valent pas et toutes ne conviennent pas à des serveurs hétérogènes. Un mauvais choix aboutirait alors à une mauvaise qualité d’entrainement de l’IA. C’est donc armé d’un crayon et d’une feuille de papier que Constantin a prouvé un théorème mettant en relation techniques de compression, coût de communication, nombre de machines détenant des données, niveau d’hétérogénéité entre clients, qualité de l’IA entraînée et temps nécessaire pour l’obtenir. Il a ainsi mis en lumière les compromis à faire pour trouver le bon équilibre entre tous ces paramètres. Et devinez quoi, l’expérimentation confirme les résultats ! L’IA peut s’engager dans la voie de la perfection.

8 - Elie Kadoche, Laboratoire Traitement et Communication de l’Information (LTCI), un laboratoire de recherche Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris – « Développement d'algorithmes de contrôle basés sur de l'apprentissage par renforcement multi-agents pour l'optimisation de parcs éoliens à grande échelle »

Comment se comporter face au vent ? Des éoliennes plus intelligentes pour une production d’énergie optimisée

L’éolien a le vent en poupe. Des parcs sur terre et en mer sont en cours de déploiement, et leur taille grossit, dépassant plusieurs centaines d’éoliennes pour les plus grands. L’optimisation de la production d’électricité de ces parcs posent de nombreux défis auxquels tente de répondre Elie Kadoche. 

Une éolienne produit plus quand elle est alignée face au vent. Mais en aval, les autres subissent l’effet de sillage : le vent qu’elles reçoivent est plus faible (donc la production est moindre) et plus turbulent (ce qui augmente le risque de détérioration matérielle). En modifiant l’orientation horizontale de la première éolienne, celle-ci produira certes moins, mais laissera plus de vent aux autres, ce qui peut se révéler plus efficace au global. Il faut donc chercher les meilleures stratégies collectives de contrôle des parcs dans des situations difficiles, quand le nombre de machines grandit et que les interactions physiques deviennent plus importantes, ou quand le vent a une forte dynamique et qu’il devient imprévisible par exemple. Ceci a notamment pour objectif d’anticiper les futurs défis des très grands projets éoliens futurs et du changement climatique, qui influencera fortement les courants atmosphériques.

Pour cela, Elie Kadoche conçoit des algorithmes de contrôle basés sur des simulateurs du vent et du comportement des éoliennes. Grâce à l’apprentissage par renforcement, une technique d’intelligence artificielle, ces éoliennes numériques « apprennent », par essais et erreurs, comment s’orienter au mieux en fonction des informations à leurs disposition pour maximiser la production d’électricité globale du parc. Implémentés dans de futurs parcs éoliens, ces algorithmes permettraient aux éoliennes de s’adapter en temps réel malgré le côté indomptable et imprévisible du vent.

9 - Mélanie Gornet, i3, SES à Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris – « Éthique, régulation et évaluation des systèmes d’apprentissage automatique : vers des exigences opérationnelles »

Dans les coulisses de l’éthique et de la régulation de l’intelligence artificielle

Un téléphone qui se déverrouille grâce au visage, des recommandations de streaming parfaites, un itinéraire en ligne optimisé…l’intelligence artificielle (IA) est de plus en plus présente dans notre société. Aujourd’hui, elle s’apprête à bouleverser notre quotidien et suscite le débat quant à la propriété intellectuelle ou les risques de fracture sociale et de discrimination. Dans ce contexte, les initiatives se multiplient pour la rendre plus éthique, responsable et finalement nous protéger des usages abusifs. À tel point que l’Union européenne a légiféré en décembre 2023 avec l’AI Act. Mais l’éthique, la législation et les normes techniques attendues dans le domaine sont-elles en adéquation ? C’est tout le travail de thèse de Mélanie Gornet.

Aidée d’une intelligence artificielle - il ne pouvait y avoir meilleure occasion - Mélanie a épluché des centaines de textes traitant de l’éthique de l’IA. Elle a constaté que de ces écrits issus d’univers variés (instances publiques, ONG, entreprises…) et utilisant des langages différents, se dégagent les mêmes grandes idées :  la garantie des droits fondamentaux et la non-discrimination. L’AI Act prend en compte ce dernier point, montrant que le droit est un outil d’application de l’éthique. Toutefois, en regardant cette loi de plus près, Mélanie a constaté que le législateur s’appuie sur les normes techniques pour la faire appliquer. Avec son regard d’ingénieur, elle s’est attelée à l’analyse des différentes normes : répondent-elles aux attentes éthiques ? Sont-elles réalisables ? Toutes les conséquences de leur application ont-elles été envisagées ? En d’autres termes, la thèse de Mélanie, c’est l’engrenage qu’il manquait entre l’éthique, le droit et la norme.

10 - Gabriel Vernhes, Unité d’Économie Appliquée (UEA), un laboratoire ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris – « Les relations entre sciences, technologies et territoires, au cœur de la souveraineté nationale : une analyse structurale sur longue période »

Défense : remonter aux origines des connaissances pour maintenir la paix

Que vous sachiez appliquer le théorème de Thalès ou servir à vos amis la fameuse blanquette de veau de votre mamie, ces connaissances vous ont été transmises par quelqu’un, un livre, un site… peu importe le support. Cela peut paraitre anodin, mais pour un économiste de la connaissance comme Gabriel Vernhes, la question de la provenance de ces savoirs est primordiale. De son point de vue, la connaissance est un bien public partagé librement et gratuitement chaque jour par des milliards d’individus. Elle dessine des flux économiques que les chercheurs peuvent décortiquer. Mais dans quel but ? 

Oublions la blanquette de mamie et focalisons-nous sur des savoirs qui intéressent la défense (amélioration de la précision d’un missile, résistance d’un blindage…). Les échanges mondiaux de connaissances prennent ici la forme de flux de citations entre articles scientifiques ou brevets d’invention. Les références faites par les auteurs renseignent alors sur les sources qui leur ont permis d'innover. 

Dans le cadre de sa thèse, Gabriel a enquêté sur quelques centaines de milliers de ces documents à travers lesquels se dessinent des réseaux internationaux du savoir. Il a ainsi déterminé quels étaient les pays leaders dans la création de connaissances liées à la défense, mais aussi ceux qui les rattrapent, les domaines scientifiques innovants sur le plan militaire ainsi que les canaux par lesquels la science devient une arme. Son travail éclaire sur les dynamiques par lesquelles les nations se dotent de technologies stratégiques pour leur souveraineté. En d’autres termes, la thèse de Gabriel met à jour les tendances de l’armement de demain et les pays capables de le produire. Elle est un formidable outil d’anticipation des conflits et par conséquent, de maintien de la paix. 

Venez nombreux pour les encourager et voter pour votre participant préféré !

Une soirée conviviale ouverte au public

Les dix finalistes auront 3 minutes pour convaincre le public et un jury composé de personnalités de l’univers scientifique et artistique :

Kees Van der Beek, Président du jury du concours MT180 IP Paris, Directeur de la Recherche à l'École polytechnique, Vice-Président Recherche de l'Institut Polytechnique de Paris et Président du Comité Recherche Diplômé de l’Université de Leyde (Pays-bas) en 1988 et 1992, il est titulaire d’un diplôme en Physique du Solide Expérimentale et d’un doctorat en Mathématiques et Sciences Naturelles. Auteur de près de 180 publications dans des revues scientifiques internationales, il a été Président de la Division Physique de la Matière Condensée de la Société Française de Physique de 2009 à 2013 et Président de la Division Physique de la Matière Condensée de la European Physical Society de 2015 à 2020.

Elodie Chabrol, PHD, Fondatrice du festival et Directrice de Pint of Science en France  Diplômée d’un doctorat en neurogénétique, Elodie quitte la recherche pour la communication scientifique. Elle souhaite rendre la science accessible à toutes et tous partout et d'en montrer le côté humain. Fondatrice et Directrice du festival Pint of Science en France ainsi que directrice internationale, elle collabore sur de nombreux projets de communication scientifique à travers la formation, l’animation d’évènements et la réalisation de podcasts.

Etienne Brière, Directeur scientifique et partenariats France & Expert Fellow Groupe EDF Diplômé de l'École Centrale de Paris en 1984, et titulaire d’un doctorat en Énergétique, il a rejoint la R&D d'EDF en 1987. Il a tenu différents postes dans les domaines de la mécanique des fluides, de la thermo-hydraulique, des écoulements diphasiques, des énergies renouvelables, du stockage de l’hydrogène et de l'environnement. Il a ainsi développé une très bonne expérience sur les enjeux énergétiques.

Sean Bailly, Journaliste scientifique au magazine Pour la Science Titulaire d’un doctorat en physique des particules et cosmologie, il est aujourd’hui journaliste scientifique spécialisé en physique, astrophysique et mathématiques et chef de la rubrique « actualités » pour le magazine Pour la Science.

Pauline Ribat, Actrice, autrice, metteuse en scène - Compagnie Depuis L'Aube Formée à l’Académie-Théâtrale Françoise Danell-Pierre Debauche à Agen, et au Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique (CNSAD). Son premier texte Depuis l'aube (ode aux clitoris) - soutenu par la Chartreuse-CNES - est repéré en Avignon-Off 2017 ; il se joue plus de 60 fois. En 2023, elle participe à un projet art & science. Elle écrit i = racine carrée d’imaginaire pour Binome#13 mis en voix en juillet 2023 lors du Festival d’Avignon d’après sa rencontre avec Jasmin Raissy, Mathématicienne et Professeure à l’Université de Bordeaux, IUF (Insmi - CNRS).

Mélanie Sudoollah, élève de terminale au lycée Pierre-Gilles de Gennes à Paris Établissement partenaire du Centre égalité des chances de l'Institut Polytechnique de Paris

Les lauréats qui recevront le 1er Prix du Jury et le Prix du Public accèderont à la demi-finale nationale qui aura lieu le 29 mars à Paris.