Section 15 Chimie des matériaux, nanomatériaux et procédés

I. Évolution depuis le précédent rapport

Depuis le précédent rapport de conjoncture, plusieurs évolutions marquantes du périmètre thématique de la section 15 se sont fait jour. Nous en résumons ici les caractéristiques principales.

Nanomatériaux et nanostructures : L'activité de recherche dans le domaine de la synthèse de nanomatériaux est toujours foisonnante, essentiellement focalisée sur des oxydes simples, des métaux et aussi des chalcogénures. L'obtention de nanoparticules se focalise maintenant autour de nouvelles compositions. On peut citer par exemple, les borures qui présentent sous forme massive une vaste gamme de propriétés remarquables (supraconductivité, dureté, ferromagnétisme, thermoélectricité...), les phosphures et en particulier la famille des semi-conducteurs III-V et les composés du système BCxNy apparentés au graphène. Une large activité est aussi concentrée sur l'élaboration de nanoparticules présentant des hétérostructures originales.

Afin de permettre l'accès à ces nouvelles compositions, l'utilisation de nouveaux précurseurs moléculaires réactifs et de nouveaux milieux de synthèse, comme par exemple les sels fondus, sont apparus, ce qui a permis d'étendre les domaines d'application de la chimie colloïdale vers des systèmes plus exotiques. Des stimuli externes tels que micro-ondes, lumière ou ondes sonores sont aussi utilisés pour générer de nouveaux intermédiaires réactionnels qui peuvent donner lieu à de nouvelles structures et morphologies.

La recherche de méthodes pour assembler de manière organisée dans l'espace et si possible à plusieurs échelles, des briques élémentaires prédéfinies (colloïdes ou nanoparticules) est aussi un domaine très actif compte tenu des propriétés non conventionnelles qui peuvent en découler, si l'on pense par exemple aux métamatériaux ou aux cristaux photoniques. La structuration d'un matériau à plusieurs échelles, comme rencontrée dans les matériaux biologiques (os, nacre..), est un réel défi, qui passe par une maîtrise du couplage chimie-procédé de mise en forme. Le recours à des entités naturelles (biopolymères, biosurfactants, bactéries...) pour structurer le solide est de plus en plus considéré. De réelles avancées dans ce domaine se dessinent en combinant des approches chimiques bottom-up permettant le contrôle de structures à l'échelle nanométrique et mésoscopique et des techniques top down de microfabrication, ce qui nécessite le rapprochement des compétences des chimistes et des physiciens des matériaux.

Matériaux hybrides : Une des grandes évolutions actuelles dans le domaine des matériaux hybrides multifonctionnels concerne sans doute les vecteurs thérapeutiques, où l'on trouve en bonne place, les nanoparticules de silice mésoporeuses et les MOFs. Les recherches se concentrent maintenant sur la création de véritables plate-formes thérapeutiques autour d'un nano-objet poreux que l'on peut charger par diverses molécules ou nanoparticules et recouvrir aussi de bio(macro)molécules variées, pour viser des fonctions bien précises. Le relargage contrôlé de principes actifs n'est plus l'unique objectif. Ainsi, dans le cas des cancers, s'agit-il de mieux cibler la tumeur, de l'imager, de la traiter par exemple par hyperthermie. Après de nombreuses études in vitro, les études in vivo commencent à apparaître.

Biomimétisme et bio-inspiration : Lié à celui des matériaux hybrides organiques-inorganiques, le domaine des matériaux bio-inspirés est en plein essor. Il bénéficie de la reconnaissance du « Biomimétisme » en tant que nouveau champ d'exploration scientifique. Un Centre Européen d'Excellence en Biomimétisme va être créé à Senlis et le Ministère de l'Écologie, du Développement Durable et de l'Énergie lance le programme « Approches biomimétiques au service du développement durable ».

La science des matériaux biologiques utilise des concepts connus pour les matériaux synthétiques afin de décrire des organismes biologiques et d'extraire les principes de construction de ces édifices dont les formes semblent sans limites et le degré d'ordre souvent approximatif. La matrice minérale allie très souvent des composantes (macro)moléculaires organiques, et la modulation des propriétés est obtenue grâce à un ajustement fin de la composition et de la nature des liaisons chimiques mises en jeu. Aux frontières de la biologie et de la chimie ou de la physique, un nouveau domaine scientifique est en train de s'affirmer, animé par des chercheurs aux profils transdisciplinaires qui doivent donc à la fois comprendre comment fonctionnent des systèmes vivants très complexes, les traduire en nouveaux matériaux, et qui doivent surtout trouver leur place au sein de la section.

Eco-efficience dans le domaine de l'élaboration des matériaux : L'éco-efficience peut se décliner par le choix de la nature des matériaux, la minimisation de la quantité de matière et le développement de procédés d'élaboration respectueux de l'environnement et la capacité de recyclage en fin de vie. L'architecturation des matériaux permet une économie de matière par une distribution optimale de celle-ci tout en assurant une réelle multifonctionnalité. Les matériaux cellulaires, enchevêtrés, sandwich, stratifiés ou à gradients peuvent être élaborés par impression 3D, ou fabrication additive. Cette technique s'impose comme l'une des grandes mutations de ce début de xxie siècle en matière de production industrielle, en particulier dans le domaine aéronautique, où la fabrication soustractive a atteint ses limites. Les possibilités d'allégement et d'intégration de fonctions sans assemblage, ainsi que la valorisation de la matière première (pas de pertes) rendues possibles par la fabrication additive, sont des avantages clés. Cependant, comme il s'agit de technologies de transformation assez récentes, il se développe de nombreuses recherches amont, en particulier pour comprendre et caractériser la métallurgie issue de ces procédés, comprendre le rôle des défauts sur les propriétés, et enfin développer les outils appropriés de contrôle non destructif.

La « génomique » des matériaux : les laboratoires commencent à développer des infrastructures pour accélérer la découverte de nouveaux matériaux en mêlant les techniques numériques aux bases de données les caractérisant. Aux USA, ceci s'est traduit par le lancement en 2011 du projet « Materials Genome Initiative ». Les recherches en cours concernent les substituts aux matériaux critiques(1), la réduction de l'utilisation des énergies fossiles pour le transport (allégement, stockage hydrogène...). L'objectif est de diviser par deux le temps de développement et de déploiement de nouveaux matériaux.

Modélisation mésoscopique en science des matériaux : l'échelle mésoscopique est une échelle intermédiaire entre l'échelle microscopique, qui caractérise les atomes ou les molécules, et l'échelle macroscopique, qui caractérise les corps dans leur ensemble. Bien que le défi pour découvrir, contrôler et manipuler des architectures et des phénomènes complexes à l'échelle mésoscopique, ou pour réaliser de nouvelles fonctionnalités, soit immense, les succès qui pourraient être accomplis auront des retombées considérables sur les défis actuels. De nombreuses recherches sont en cours sur le comportement piezoélectrique, le développement de matériaux bio-inspirés, le contrôle de défauts structuraux, le mélange de matériaux nano et micro-structurés pour les composites, les batteries ou encore le photovoltaïque(2).

(1) http://ecoinfo.cnrs.fr/article197.html
Les produits de haute technologie nécessitent des métaux rares dont la production est largement extérieure à la communauté européenne.

(2) http://science.energy.gov/bes/news-and-resources/reports/
From Quanta to continuum : opportunities for mesoscale science, US Department of Energy, September 2012.