Section 15 Chimie des matériaux, nanomatériaux et procédés

II. Partition thématique en 2014

La chimie des matériaux s'appuie sur des compétences propres et sur des interactions fortes à la fois avec les autres secteurs de la chimie et les disciplines connexes que sont la physique, les sciences de l'ingénieur, la biologie et la santé. La spécificité principale de nos laboratoires est de contrôler toutes les étapes de synthèse, de mise en forme et de caractérisations structurales et fonctionnelles. Cette chaîne d'expertise permet à la fois de :

a) mener des études complexes « chimie-structure-propriétés » dans leur totalité,

b) synthétiser et caractériser de nouveaux matériaux,

c) optimiser des matériaux pour maîtriser de nouvelles propriétés à des fins d'études fondamentales,

d) intégrer des matériaux inorganiques dans des systèmes complexes (développement technologique, biologie, environnement, santé).

Il en résulte une fertilisation croisée qui a fortement diversifié les domaines d'interventions des laboratoires de la section 15 et généré des avancées majeures au cours des dernières années dont certaines sont décrites brièvement ci-dessous.

L'interaction naturelle avec les autres sous-disciplines de la chimie a fait évoluer la synthèse des matériaux : par exemple sur le plan expérimental, l'électrochimie en phase solide est maintenant utilisée comme une voie d'obtention de structures originales, et la chimie organique et la chimie des polymères ont permis l'émergence de matériaux fascinants tels que les hybrides et les MOFs. Aujourd'hui, tous les laboratoires de chimie des matériaux utilisent les calculs de structure électronique de type DFT comme outils de simulation, voire de prédiction de nouvelles phases.

Les échanges constants avec la physique ont considérablement amélioré la compréhension des matériaux solides. Les (nano)-matériaux parfaitement contrôlés du point de vue structural et chimique que nous pouvons créer sont des objets idéaux pour que des études fiables et originales puissent être menées avec les techniques de microscopie les plus avancées (HRTEM corrigée, tomographie électronique, champ proche). Il en est de même avec les grands instruments (synchrotron, neutrons, RMN) de plus en plus accessibles à nos laboratoires. D'autre part, les modélisations multi-échelles issues de la physique du solide sont passées du statut d'objets d'étude dans les laboratoires de physique à celui d'outils incontournables dans nos équipes de recherche.

La nécessaire mise en œuvre des matériaux pour des développements technologiques fait progresser leur connaissance en créant un cercle vertueux. Dans le processus d'intégration des matériaux, la mise en forme, la reproductibilité et la fiabilisation imposent une expertise fondamentale de la physico-chimie des solides. En retour, la disponibilité de nombreux composants reproductibles et fiables permet de mener des études comparatives et ainsi de faire avancer la compréhension des matériaux. À titre d'exemple, on peut citer les verres et cristaux pour l'optique, les conducteurs ioniques pour batteries, les oxydes en couches minces, les nanomatériaux magnétiques, la substitution des métaux nobles en électronique, ou encore les composites thermo structuraux.

L'interaction avec la biologie, les sciences de la santé et de l'environnement est devenue une nouvelle source d'innovation dans la synthèse des (nano)-matériaux. Portés naturellement vers les applications en médecine ou biologie, nos laboratoires optimisent en permanence les matériaux : porosité contrôlée dans les hydroxyapatites artificielles, nanoparticules hybrides pour l'imagerie et la délivrance ciblée de médicaments, transducteurs ultrasonores performants, cristaux de macromolécules biologiques pour la détermination structurale. Sur cette base bien établie, la période récente a été marquée par une influence en retour à partir de laquelle la science des matériaux s'inspire des architectures biologiques pour générer des structures inorganiques artificielles. À l'échelle microscopique, la molécule d'ADN peut servir de base pour la synthèse d'oxydes en nano-hélices ; aux échelles méso et macroscopiques, l'auto-organisation de matériaux hybrides permet de synthétiser des architectures périodiques complexes.

Du point de vue organisationnel, les interactions décrites succinctement ci-dessus peuvent être résumées par la Figure 1 dans lesquelles l'implication relative des différents domaines scientifiques, déterminée par les rattachements secondaires dans les laboratoires de la section 15, est schématisée par l'aire des disques rapportée à la surface du disque central.

Figure 1 : Schéma représentant le poids relatif des disciplines affichées par toutes les unités de recherche de la section 15. L'aire des disques est proportionnelle au nombre de chercheurs rattachés aux sections secondaires des laboratoires dont la section principale est la section 15.

Après avoir balayé les différentes interfaces disciplinaires, il est nécessaire de définir les forces motrices intrinsèques de la section 15 afin d'anticiper les évolutions futures, les interactions nouvelles et les éventuels développements technologiques.

La dernière décennie a été marquée par une tendance forte à la mise en œuvre de matériaux nanométriques afin d'atteindre des fonctionnalités que des composés volumiques classiques ne possèdent pas. On peut citer quelques exemples significatifs de cette évolution. Dans le domaine de l'énergie, le stockage électrochimique (batteries lithium, supercondensateurs) et la transformation (piles à combustible, électrolyseurs) ont atteint le niveau de la production grâce à la mise en œuvre contrôlée de matériaux à grande surface spécifique ou nanostructurés. Dans tous ces cas, il s'agissait d'augmenter les transferts ioniques et électroniques aux interfaces pour accroître la densité d'énergie. En métallurgie, la cristallisation locale de verres métalliques ou l'utilisation de composites carbone/métal permet de combiner des propriétés réputées incompatibles : rigidité et facilité de mise en forme, forte conductivité électrique et faible conduction thermique, conductivité électronique et propriétés magnétiques préservées dans les métaux nanométriques. En optique, la cristallisation de verres d'oxydes ou la synthèse de vitrocéramiques rend possible la production de composants optiques de grande taille possédant des propriétés inégalées : indices optiques linéaires et non-linéaires modulables, absorption/émission/scintillation homogènes sur de grands volumes, préformes structurées pour la réalisation de fibres. La coexistence et le couplage de propriétés (magnétique/électrique, élastique/magnétique, thermique/électrique) dans les matériaux multifonctionnels ont été grandement facilités par la création de composites bi- ou tridimensionnels comme, par exemple, les multiferroiques. Dans certains cas, des propriétés impossibles à obtenir en phase solide massive peuvent être créées dans des matériaux micro- ou nanostructurés : indice optique négatif dans les métamatériaux, supraconductivité bidimensionnelle aux interfaces, etc. La contribution principale des laboratoires de la section 15 dans ce processus de structuration multi-échelle des matériaux est d'intégrer des composés complexes, en partant de preuves de concept basées sur les matériaux simples : oxydes, nitrures, fluorures, carbures, binaires ou ternaires, solutions solides doubles ou triples, alliages, hybrides organiques/inorganiques...

Parallèlement à cette évolution multidisciplinaire dans laquelle la chimie des matériaux est impliquée, il est nécessaire de réaffirmer la place prépondérante de la chimie exploratoire. Basée sur les concepts de base de la liaison chimique, des polyèdres de coordination et de la cristallochimie, il est vital de renforcer la synthèse de composés nouveaux qui fait la force et l'originalité de notre discipline. Plusieurs initiatives ont été lancées récemment par les laboratoires et l'INC pour réaffirmer cette nécessité : action nationale pour une chimie du solide exploratoire, structuration nationale de la métallurgie, etc.

Différentes thématiques susceptibles de s'intégrer dans cette dynamique sont listées ci-dessous :

– métallurgie : contrôle local de la structure et de la stœchiométrie au sein d'alliages complexes et des défauts bidimensionnels (joints de grains et hétérointerfaces), métallurgie prédictive pour le développement de nouveaux alliages combinant calculs ab initio et thermodynamiques ; alliages multi-élémentaires à haute entropie ; homogénéité de composition dans les nanoparticules d'alliage (thermodynamique des nano-objets et des films minces) ; surface et interfaces de verres, cristaux à grande maille et quasi-cristaux métalliques ; application des concepts, procédés et modélisation de la métallurgie aux solides non-métalliques ; développement de nouveaux alliages et procédés de substitution à des matériaux/procédés classiques ne respectant plus les normes environnementales ;

– chimie du solide : renforcement des voies de synthèse classiques de la chimie inorganique (cristallogenèse, voie solide, chimie douce), utilisation de voies de synthèse avancées (couches minces, frittage sous contrainte type SPS, mise en œuvre des paramètres pression-champ électromagnétique, synthèse en milieu fluide supercritique, milli et microfluidique), coexistence et couplage de propriétés dans les matériaux multifonctionnels intrinsèques (multiferroiques, magnétocaloriques), synthèse raisonnée de nouveaux composés s'appuyant sur les modélisations ab initio et allant au-delà d'une stratégie de substitution au sein de familles structurales données, cristallochimie quantitative en lien avec les calculs DFT ;

– nanomatériaux et hybrides : liaison chimique entre molécules carbonées et composés inorganiques ; matériaux bio-inspirés, bio-sourcés et bio-compatibles ; minéralisation assistée par des molécules biologiques ; cristaux colloïdaux nanostructurés.

En se basant sur cette démarche exploratoire, les laboratoires de la section 15 sont parfaitement placés pour s'impliquer à toutes les étapes du cycle de vie des matériaux et pour répondre à différents enjeux sociétaux :

– au niveau de la synthèse : choix des précurseurs et des procédés permettant de diminuer l'impact environnemental et de prendre en compte la disponibilité des ressources,

– au niveau du développement : intégration de matériaux performants dans les systèmes pour accroître leur durée de vie, diminuer leur consommation énergétique,

– au niveau du recyclage : mise en œuvre de matériaux pertinents aux étapes de synthèse et d'intégration permettant d'anticiper et de faciliter la séparation des éléments chimiques et leur conditionnement.

Nos laboratoires sont donc au cœur des évolutions actuelles autour de la chimie verte et durable.