Joris HeymanGéosciences Rennes

• Parcours et Recherche

Joris Heyman obtient en 2010 un diplôme d'ingénieur en Génie Civil à l'INSA de Rennes ainsi qu'un master en mécanique sur un projet portant sur les écoulements fluides à la transition vers la turbulence. En 2014, il obtient un doctorat à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse). Son sujet de thèse porte sur la description probabiliste de la dynamique du transport sédimentaire dans les rivières de montagne. Par une heureuse coïncidence, il a l’opportunité de revenir à Rennes pour poursuivre son parcours académique avec deux expériences post-doctorales. D'abord à l'Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1), où il travaille sur les écoulements granulaires denses, et ensuite à Géosciences Rennes (CNRS/Université de Rennes 1), où il se focalise plus précisément sur les processus de transport et de mélange dans les milieux poreux à micro échelles. Il est recruté comme chargé de recherche au CNRS en 2018  pour étudier les dynamiques de mélange à l'interface rivière-sédiment, un « hot-spot » bien connu pour sa réactivité biogéochimique. Ses expériences sur colonnes poreuses ont apporté les premières observations expérimentales1 2 de la nature chaotique des écoulements laminaires stationnaires en milieux poreux : des résultats qui ont largement motivé son projet ERC Starting Grant 2021 CHORUS : « How does chaos control transport processes in porous media ? », ou « Comment le chaos contrôle-t-il les processus de transport dans les milieux poreux ? ».

• Projet CHORUS : How does chaos control transport processes in porous media ? – Projet CHORUS : Comment le chaos contrôle-t-il les processus de transport dans les milieux poreux ?

Les écoulements fluides dans les milieux poreux ont un rôle central dans de nombreux systèmes géologiques, biologiques et industriels3 , où ils contribuent au transport de matière dissoute et particulaire et de chaleur à travers des chemins tortueux et entremêlés. Dans les sols et les roches, qui constituent le plus grand réservoir d'eau douce et de biodiversité sur Terre4 5 , ces dynamiques de transport ont un impact important sur la quantité et la qualité des ressources en eau et influencent les cycles géochimiques à grande échelle6 7 . Le transfert d'éléments chimiques et de fluides à travers de tissus et membranes biologiques poreuses, telles que les alvéoles pulmonaires8 , les réseaux capillaires9 , ou même les os10 11 contribue à des fonctions physiologiques essentielles. Par ailleurs, dans les systèmes industriels, de nombreuses techniques reposent aujourd’hui sur l'écoulement de fluides à travers des matériaux poreux, par exemple dans la chromatographie12 , la catalyse13 et le stockage d’énergie14 . Dans la plupart de ces applications, le concept de dispersion hydrodynamique est un paradigme central des modèles de transport. Les hétérogénéités d'écoulement à l'échelle du pore y sont rassemblées dans un coefficient de dispersion macroscopique moyen, décrivant la tendance moyenne de particules à se disperser lorsqu'elles sont advectés par des champs de vitesse aléatoires. Ce modèle moyen conduit à de médiocre prédictions des dynamiques de transport, notamment lorsque des processus réactifs sont en jeu. En effet, la dispersion décrit seulement l'étendue spatiale d’un panache, et non l'état du mélange à l'intérieur de celui ci et la persistance de gradients de concentration à micro-échelles (cf Figure). Ces gradients ont une importance clefs car ils contrôlent in-fine la fréquence des interactions entre particules et leur réactivité.

Des résultats expérimentaux, numériques et théoriques ont récemment mis en évidence le rôle de dynamiques chaotiques dans la persistance des gradients chimiques en dessous de l’échelle du pore jusqu'à des nombres de Péclet d'environ 5, c’est à dire quand la diffusion moléculaire est au moins 5 fois plus lente que l’advection. Ces conditions se retrouvent dans la plupart des applications mentionnées précédemment. Le chaos Lagrangien, aussi appelé chaos déterministe, est un phénomène mathématique fascinant qui rend des systèmes dynamiques pourtant très simples, imprévisibles après un certain temps. Dans ces systèmes est observé le fameux effet « papillon » : deux trajectoires de particules initialement proches divergent à une vitesse exponentielle, le déroulement de l’histoire est bouleversé par le moindre battement d’aile. Connue dans le contexte des écoulements turbulents rapides, l'advection chaotique était jusqu'à présent passée complètement inaperçue dans les écoulements laminaires et stationnaires à travers des milieux poreux. Joris Heyman et ses collègues ont récemment découvert qu'elle joue au contraire un rôle central dans les processus de transport.

Le projet CHORUS vise à mettre en évidence l’impact fondamental des dynamiques chaotique sur le mélange en milieux poreux. En utilisant de nouvelles approches expérimentales, numériques et théoriques, une équipe composée de 4 chercheurs, 2 ingénieurs et 4 jeunes chercheurs se propose d’explorer l'origine, la diversité et les conséquences du chaos dans un large spectre d’architectures poreuses. Pour cela, les chercheurs proposent de développer une nouvelle génération de techniques d'imagerie 3D pour explorer les processus de mélange in-situ. Ces techniques associent notamment la fluorescence induite par laser, le contrôle des indices de réfraction, et la fabrication additive translucide d'architectures poreuses et fracturées complexes, sur la base de données de micro-tomographie réalistes. Ces nouvelles perspectives expérimentales permettront de formuler les concepts théoriques manquant pour modéliser le mélange et la dispersion dans les systèmes poreux. L'une des idées les plus ambitieuses de CHORUS est d'utiliser ces percées théoriques pour concevoir des écoulements poreux « intelligents » (« smart » porous flows) dans des structures poreuses synthétiques optimisées. Ces méta-matériaux seraient capables à terme de maximiser ou de minimiser le mélange, la dispersion et la réaction des solutés et d'augmenter considérablement l'efficacité de processus industriels tels que filtres, batteries, support catalytiques... En plaçant un nouveau membre à la grande table des systèmes chaotiques, les résultats du projet CHORUS pourraient également offrir des perspectives originales pour la compréhension fondamentale du chaos, dont de nombreuses zones d’ombres restent à éclaircir.

• 3Dagan, G., 1989. Flow and transport in porous formations. Springer, New York.
• 4Chapelle, F., 2001. Ground-Water Microbiology and Geochemistry. John Wiley and Sons.
• 5Cushman, J. H., 2013. The physics of fluids in hierarchical porous media: Angstroms to miles. Springer Science & Business Media.
• 6Maher, K. and Chamberlain, C. (2014). Hydrologic regulation of chemical weathering and the geologic carbon cycle, Science 343 : 1502-1504.
• 7Bochet, O.; Bethencourt, L.; Dufresne, A.; Farasin, J.; Pédrot, M.; Labasque, T.; Chatton, E.; Lavenant, N.; Petton, C.; Abbott, B. W. and others (2020). Iron-oxidizer hotspots formed by intermittent oxic--anoxic fluid mixing in fractured rocks, Nature Geoscience 13 : 149-155.
• 8Tsuda, A.; Rogers, R. A.; Hydon, P. E. and Butler, J. P. (2002). Chaotic mixing deep in the lung, Proceedings of the National Academy of Sciences 99 : 10173-10178.
• 9Hernández, J. C. C.; Bracko, O.; Kersbergen, C. J.; Muse, V.; Haft-Javaherian, M.; Berg, M.; Park, L.; Vinarcsik, L. K.; Ivasyk, I.; Rivera, D. A. and others (2019). Neutrophil adhesion in brain capillaries reduces cortical blood flow and impairs memory function in Alzheimer’s disease mouse models, Nature neuroscience 22 : 413-420.
• 10Fritton, S. P. and Weinbaum, S. (2009). Fluid and solute transport in bone: flow-induced mechanotransduction, Annual review of fluid mechanics 41 : 347-374.
• 11Khaled, A.-R. and Vafai, K. (2003). The role of porous media in modeling flow and heat transfer in biological tissues, International Journal of Heat and Mass Transfer 46 : 4989-5003.
• 12Westerbeek, E. Y.; Bomer, J. G.; Olthuis, W.; Eijkel, J. C. T. and De Malsche, W. (2020). Reduction of Taylor–Aris dispersion by lateral mixing for chromatographic applications, Lab Chip 20 : 3938-3947.
• 13Meirer, F. and Weckhuysen, B. M. (2018). Spatial and temporal exploration of heterogeneous catalysts with synchrotron radiation, Nature Reviews Materials : 1.
• 14Braff, W. A.; Bazant, M. Z. and Buie, C. R. (2013). Membrane-less hydrogen bromine flow battery, Nature communications 4 : 1-6.

En savoir plus

• Site du projet CHORUS