Proposition de thèse

Financée par le projet « IMAGE – A fresh look at MRI: from healthcare to energy systems”

Ecole doctorale SIMPPÉ ED 608 – Université de Lorraine

DEVELOPPEMENT DE METHODOLOGIES RMN ET IRM POUR L’ETUDE IN SITU DE LA STRUCTURE, L’ECOULEMENT ET LA FABRICATION D’EMULSIONS.

CONTEXTE de la recherche

Les émulsions sont des systèmes colloïdaux utilisés dans de nombreux secteurs industriels tels que l’agroalimentaire, la pharmacie, la cosmétique ou encore l’énergie, notamment pour l’administration contrôlée de médicaments, l’encapsulation d’arômes ou le stockage d’énergie. Les propriétés de ces systèmes (stabilité, transferts de matière, comportement rhéologique) dépendent fortement de la taille des gouttes et de leur distribution, elles-mêmes directement liées aux procédés d’émulsification mis en œuvre.

Les méthodes conventionnelles de caractérisation des propriétés d’émulsions incluent la granulométrie laser (LDS), la microscopie optique et la diffusion dynamique de lumière (DLS). Bien que largement maîtrisées, ces techniques nécessitent généralement une préparation préalable des échantillons (dilution, prélèvement, confinement entre lames), susceptible de modifier localement la structure des émulsions. Ces contraintes limitent leur utilisation pour le suivi in situ des procédés de fabrication, des phénomènes de vieillissement ou des systèmes concentrés et opaques. Les méthodes basées sur la résonance magnétique nucléaires (RMN), constituent une alternative particulièrement prometteuse car elles permettent d’étudier les émulsions sous leur forme native, sans préparation intrusive, pendant – ou juste après – leur fabrication, y compris dans des systèmes opaques. La RMN à gradient de champ pulsé (PFG-NMR) permet par exemple d’avoir accès à la distribution de taille de gouttes de façon non invasive dans les émulsions simples et de mesurer les transferts entre les phases tandis que l’utilisation de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) peut donner accès à des informations sur la stabilité des systèmes et leurs propriétés sous écoulement.

OBJECTIFS du travail de thèse

L’objectif à long terme de ce projet est de développer et paramétrer un dispositif expérimental ainsi qu’une méthodologie permettant de suivre le processus de fabrication et la stabilité d’émulsions par des méthodes d’IRM.

Dans un premier temps, une étude sous conditions statiques permettra de caractériser par PFGNMR un ensemble représentatif d’émulsions simples, directes et inverses, de différentes compositions et propriétés. Il s’agira de délimiter les formulations et propriétés accessibles par cette technique, en comparaison avec les méthodes plus établies. Le cas des émulsions doubles sera également abordé.

Dans un second temps, les émulsions seront étudiées en conditions d’écoulement afin d’analyser l’influence des contraintes hydrodynamiques sur leur structure et leur stabilité. Une attention particulière sera portée aux phénomènes de déformation, de rupture et de coalescence des gouttes ainsi qu’aux éventuelles modifications de distribution de taille induites par l’écoulement. Les techniques d’IRM permettront notamment d’accéder de manière non invasive aux champs de vitesse, aux profils de concentration et à la répartition spatiale des phases dans des systèmes potentiellement opaques et concentrés.

Une attention particulière pourra être portée au suivi de traceurs ou de composés encapsulés afin d’étudier les mécanismes de transfert et de relargage au sein des gouttes sous conditions statiques et dynamiques.

En fonction de l’avancée du projet, le travail pourra se porter ensuite sur le développement d’un dispositif expérimental original permettant la fabrication et la caractérisation in situ d’émulsions directement dans l’imageur IRM. Cela supposera des matériaux compatibles RMN/IRM, le développement de séquences de mesure adaptées aux systèmes multiphasiques étudiés ainsi que l’interprétation et la modélisation des signaux obtenus en présence d’écoulements et de transferts entre phases. Le travail pourra également inclure l’étude de dispositifs d’émulsification continus, avec pour objectif de mieux comprendre les couplages entre hydrodynamique, transferts de matière et évolution de la microstructure des émulsions sous écoulement.

La thèse se déroulera à l’Université de Lorraine à Nancy, au sein de deux laboratoires de recherche, le LRGP et le LEMTA. La thèse sera co-encadrée par Cécile Lemaître (LRGP), Jean-Christophe Perrin (LEMTA) et Véronique Sadtler (LRGP).

Le LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) est spécialisé dans l’ingénierie des réactions chimiques et biologiques, ainsi que dans la modélisation et l’optimisation de procédés pour l’énergie, l’environnement et l’industrie, et compte plus de 300 collaborateurs, dont 100 professeurs et chercheurs. Le/la doctorant.e rejoindra l’axe Génie des Produit qui étudie la formulation, la caractérisation et la modélisation de fluides complexes, tels que les émulsions.

Le LEMTA (Laboratoire Énergies & Mécanique Théorique et Appliquée) compte environ 200 collaborateurs, dont 80 professeurs et chercheurs, et est spécialisé dans les transferts de chaleur, la mécanique des fluides et la science des matériaux, avec des applications dans le domaine de l’énergie et de l’ingénierie des systèmes complexes. Le/la doctorant.e sera accueilli.e au sein de l’équipe « IRM pour l’ingénierie » et aura accès aux appareils RMN de la plateforme Métro’NRJ du laboratoire.

Axe Génie des Produits du LRGP : https://lrgp–nancy.cnrs.fr/axes–recherche/genie–produits/

Plateforme Métro’NRJ du LEMTA : https://lemta.univ–lorraine.fr/plateforme–metronrj/

Equipe Transverse IRM pour l’Ingénierie du LEMTA : https://lemta.univ–lorraine.fr/irm–ingenierie/

LIEU de la thèse et conditions

La thèse, d’une durée de trois ans, sera basée au Laboratoire LRGP 1, rue Grandville 54000 Nancy et au LEMTA 2, Avenue de la Forêt de Haye, 54500 Vandœuvre-lès-Nancy.

Nancy, Lorraine, (300 000 habitants, dont 40 000 étudiants) est une ville universitaire dynamique de l’est de la France, située à seulement 1 h 30 de Paris en train.

Le début de thèse est prévu en Octobre 2026, avec une certaine flexibilité quant à la date exacte.

PROFILS recherchés

Les candidat.es devront être des étudiants en ingénierie ou en sciences fondamentales (génie chimique, énergie, physique, mécanique des fluides, chimie, biologie, etc.) et présenter de l’intérêt pour les méthodes expérimentales telles que la RMN et l’analyse d’images. Le candidat devra être à l’aise aussi bien avec les expériences qu’avec la modélisation. Des compétences en traitement du signal et/ou en programmation seraient très appréciées.

CANDIDATER A CETTE THESE

Documents à fournir

• Une lettre de motivation, faisant ressortir les compétences du/de la candidat.e en adéquation avec le profil recherché ;
• Un CV complet et une liste de publications ;
• Des relevés de notes (des copies non certifiées conformes suffisent) ;

Procédure

La date limite de dépôt des candidatures est fixée au 25 juin 2026. Les candidats seront convoqués à un entretien par une commission ad hoc avant le 10 juillet 2026. Les candidatures ne sont acceptées que par e-mail. Tous les documents doivent être envoyés à cecile.lemaitre@univlorraine.fr

PhD offer

Funded by the project « IMAGE – A fresh look at MRI: from healthcare to energy systems”

Ecole doctorale SIMPPÉ ED 608 – Université de Lorraine

DEVELOPMENT OF NMR AND MRI METHODOLOGIES FOR STUDYING EMULSION STRUCTURE, FLOW, AND EMULSIFICATION PROCESSES.

Research Context

Emulsions are colloidal systems used in many industrial sectors such as food processing, pharmaceuticals, cosmetics, and energy, particularly for controlled drug delivery, flavor encapsulation, or energy storage. The properties of these systems (stability, mass transfer, rheological behavior) strongly depend on droplet size and size distribution, which are directly linked to the emulsification processes employed.

Conventional methods for characterizing emulsion properties include laser diffraction spectroscopy (LDS), optical microscopy, and dynamic light scattering (DLS). Although widely used, these techniques generally require prior sample preparation (dilution, sampling, confinement between slides), which can locally alter the emulsion structure. These constraints limit their use for in situ monitoring of manufacturing processes, aging phenomena, or concentrated and opaque systems.

Nuclear magnetic resonance (NMR)-based methods offer a particularly promising alternative, as they allow emulsions to be studied in their native state, without intrusive preparation, during—or immediately after—production, including in opaque systems. Pulsed field gradient NMR (PFGNMR), for example, provides non-invasive access to droplet size distributions in simple emulsions and enables measurement of inter-phase transfer, while magnetic resonance imaging (MRI) can provide information on system stability and flow behavior.

PHD Project Objectives

The long-term objective of this project is to develop and optimize an experimental setup and methodology to monitor emulsion production processes and stability using MRI techniques.

First, a study under static conditions will characterize a representative set of simple emulsions (oilin-water and water-in-oil), with varying compositions and properties, using PFG-NMR. The aim will be to define the range of formulations and properties accessible by this technique, in comparison with more established methods. Double emulsions will also be investigated.

In a second phase, emulsions will be studied under flow conditions to analyze the influence of hydrodynamic stresses on their structure and stability. Particular attention will be given to droplet deformation, breakup, and coalescence phenomena, as well as changes in size distribution induced by flow. MRI techniques will enable non-invasive access to velocity fields, concentration profiles, and spatial phase distribution in potentially opaque and concentrated systems. Special focus may be placed on tracking tracers or encapsulated compounds to study transfer and release mechanisms within droplets under both static and dynamic conditions.

Depending on the progress of the project, the work may then focus on the development of an original experimental device enabling the in situ fabrication and characterization of emulsions

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directly within the MRI scanner. This will involve the use of NMR/MRI-compatible materials, the development of measurement sequences adapted to multiphase systems, and the interpretation and modelling of signals in the presence of flow and inter-phase transfer. The work may also include the study of continuous emulsification devices, with the aim of better understanding the coupling between hydrodynamics, mass transfer, and microstructure evolution under flow.

The PhD will take place at the University of Lorraine in Nancy, within two research laboratories: LRGP and LEMTA. It will be co-supervised by Cécile Lemaître (LRGP), Jean-Christophe Perrin (LEMTA), and Véronique Sadtler (LRGP).

LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) specializes in chemical and biological reaction engineering, as well as process modelling and optimization for energy, environment, and industry. It includes more than 300 staff members, including 100 professors and researchers. The PhD candidate will join the Product Engineering group, which studies the formulation, characterization, and modeling of complex fluids such as emulsions.

LEMTA (Laboratoire Énergies & Mécanique Théorique et Appliquée) has around 200 staff members, including 80 professors and researchers, and specializes in heat transfer, fluid mechanics, and materials science, with applications in energy and complex systems engineering. The PhD candidate will join the “MRI for Engineering” team and will have access to the laboratory’s Métro’NRJ NMR platform.

Product Engineering group (LRGP): https://lrgp–nancy.cnrs.fr/axes–recherche/genie–produits/

Métro’NRJ platform (LEMTA): https://lemta.univ–lorraine.fr/plateforme–metronrj/

MRI for Engineering team (LEMTA): https://lemta.univ–lorraine.fr/irm–ingenierie/

Location and Conditions

The three-year PhD will be based at LRGP (1 rue Grandville, 54000 Nancy) and LEMTA (2 Avenue de la Forêt de Haye, 54500 Vandœuvre-lès-Nancy).

Nancy, Lorraine (300,000 inhabitants, including 40,000 students), is a dynamic university city in eastern France, located only 1.5 hours from Paris by train.

The PhD is expected to start in October 2026, with some flexibility regarding the exact start date. 

Candidate Profile

Applicants should have a background in engineering or fundamental sciences (chemical engineering, energy, physics, fluid mechanics, chemistry, biology, etc.) and demonstrate interest in experimental methods such as NMR and image analysis. Candidates should be comfortable with both experimental work and modelling. Skills in signal processing and/or programming would be highly appreciated.

Application

Required documents 

• A cover letter highlighting the candidate’s skills in relation to the required profile;
• A full CV and list of publications;
• Academic transcripts (unofficial copies are acceptable).

Procedure

The application deadline is June 25, 2026. Candidates will be invited to an interview with an ad hoc committee before July 10, 2026. Applications are accepted only by email. All documents must be sent to: cecile.lemaitre@univ-lorraine.fr