Transferts de chaleur par rayonnement dans les matériaux composites micro et nanostructurés

Mon memoire d'HDR presente une synthese de l'essentiel de mes activites de recherche effectuees depuis 1999. Toutefois un certain nombre de mes travaux sur la manipulation optique de nanoobjets, sur la metrologie optique et sur les transferts radiatifs instationnaires ne seront pas discutes dans ce memoire. Les recherches qui y sont decrites concernent principalement les transferts radiatifs stationnaires dans les milieux semi-transparents denses et heterogenes et les transferts de chaleur en champ proche dans les materiaux nanocomposites. C'est pourquoi, j'ai choisi de regrouper ces travaux sous le vocable ‘transferts de chaleur par rayonnement dans les materiaux composites micro et nanostructures'. Les developpements realises ces dernieres annees dans le domaine des nanotechnologies autorisent desormais la structuration de la matiere a une echelle sub-longueur d'onde jusque dans le domaine visible ce qui permet de sculpter a macro echelle les proprietes radiatives des materiaux composites et de controler les echanges radiatifs en champ proche dans ces milieux. La premiere partie de mon HDR portera sur les transferts radiatifs dans les materiaux nanocomposites a gradient de permittivite dielectrique dans l'approximation de l'optique geometrique. Des avancees spectaculaires ont recemment ete faites sur ce sujet grâce aux progres technologiques realises dans le domaine de la nanofabrication. Il est desormais possible de concevoir des materiaux composites complexes pour generer artificiellement une variation spatiale de la permittivite dielectrique et de la permeabilite magnetique . Nous montrerons que cette structuration permet de modeler les trajets optiques et de controler le flot d'energie radiative dans ces milieux. Nous verrons qu'il existe une analogie forte entre la theorie de la relativite generale et l'electrodynamique classique dans un nanocomposite a gradient de permittivite dielectrique (i.e. la lumiere experimente la matiere comme un champ gravitationnel effectif). Nous montrerons comment le transfert radiatif peut-etre modelise dans ces milieux, quels sont les effets induits par la courbure de l'espace temps sur le champ de luminance, sur l'absorption, le processus diffusion et le champ de temperature. Nous verrons en particulier que la courbure de l'espace temps permet dans certaines conditions d'amplifier la luminance monochromatique directionnelle dans un milieu absorbant. Enfin, nous montrerons que ces materiaux permettent de concevoir des sources thermiques coherentes en champ lointain. Dans une seconde partie nous nous interesserons aux proprietes de coherence du champ rayonne par des materiaux stratifies micro et nanostructures et a la mise au point de sources thermiques coherentes a partir de ces materiaux. Nous commencerons par decrire le comportement emissif en champ lointain des films fins et montrerons que ces milieux peuvent se comporter comme des antennes thermiques. Nous verrons ensuite comment les structures composites planes peuvent servir a mettre au point des sources thermiques a haut de degre de coherence spectrale simultanement pour les deux etats de polarisation du champ electromagnetique. Enfin, nous montrerons qu'il est possible, pour concevoir une source thermique coherente, d'abandonner la demarche heuristique usuelle basee sur une approche de type essai-erreur au profit d'une demarche ab-initio plus rationnelle. Dans la troisieme et derniere partie de ce memoire nous presenterons nos travaux sur les transferts de chaleurs en champ proche dans les materiaux composites. Une fois de plus, on commencera par decrire le comportement des films minces. Nous verrons que lorsqu'un film supporte des ondes de surface, l'hybridation de ces modes de part et d'autre du film lui confere un comportement radicalement different de celui des materiaux massifs. On etudiera ensuite les transferts de chaleur par interactions d'ondes de surface dans des reseaux de nanoparticules immerges dans des matrices dielectrique solides. Nous montrerons que lorsque les nanoparticules sont separees par des distances plus grandes que leur diametre, chaque particule peut-etre consideree comme un simple dipole en interaction avec ces voisins. Dans ce cas, nous verrons que le transfert de chaleur par interaction des polaritons de surface a travers le reseau est negligeable. En revanche, nous montrerons qu'a courtes distances de separation (typiquement pour des distances inferieures au diametre des particules) les interactions multipolaires peuvent devenir tres importantes et augmenter significativement le transfert de chaleur. Enfin, nous etudierons le transport de chaleur dans les reseaux monodimensionnels en regime balistique et en regime diffusif .