Section 12 Architectures moléculaires : synthèses, mécanismes et propriétés

IV. Matériaux moléculaires et hybrides pour l'optique, l'électronique et la biologie

Nous assistons ces dernières années au développement considérable de l'utilisation des matériaux moléculaires en tant que matériaux fonctionnels pour des domaines aussi variés que l'électronique, l'optique, le magnétisme ou la biologie. Les possibilités qu'offre la chimie alliée à l'ingénierie moléculaire et/ou supramoléculaire ouvrent en effet la voie à la réalisation de matériaux optimisés dans leur fonctionnalité depuis l'échelle de la molécule jusqu'à celle du composant. Il s'agira d'identifier les spécificités des matériaux organiques par rapport à l'application visée en exploitant au mieux leur caractère original et innovant au regard de ce que d'autres matériaux font déjà. La richesse et la diversité des matériaux organiques ouvrent en effet la voie à des applications difficilement accessibles avec d'autres matériaux.

La recherche en France sur les matériaux moléculaires est bien implantée, et le rôle des chimistes de la section 12 dans ce domaine est essentiel. En particulier, l'essor des nanosciences est actuellement croissant et les chimistes, notamment ceux de la section 12, sont susceptibles de jouer un grand rôle dans les domaines suivants : (a) conception de microsystèmes pour différentes applications en électronique, optoélectronique, micro-fluidique en lien avec une évolution vers la miniaturisation ; (b) conception de nanomatériaux intelligents et fonctionnels organiques ou hybrides ; (c) conception de nanomatériaux pour les sciences de la vie (biologie, thérapie ou diagnostic en médecine) : nanobiosondes pour l'imagerie, nanocargos pour des processus de vectorisation, nanoparticules pour la thérapie.

D'une façon générale, le devenir des matériaux moléculaires fonctionnels est lié à la mise en œuvre de matériaux présentant non seulement des propriétés de plus en plus sophistiquées mais également adaptées au cahier des charges en termes de qualité (stabilité thermique, photochimique, innocuité...) en vue d'une utilisation industrielle. La conception de systèmes moléculaires pour des applications variées en électronique (transport de charges, de photons, conversion photovoltaïque, transistors, capteurs), en optique (détection, affichage et stockage de l'information, défense), en biologie (conception de sondes, imagerie, thérapie, diagnostique) basées sur des propriétés spectroscopiques, électroniques, optiques, électro-optiques ou magnétiques et leur mise en œuvre dans des dispositifs nécessitent le développement d'architectures de plus en plus élaborées. En fonction de l'application, celles-ci doivent répondre à la fois à des contraintes de fonction et de forme en adéquation avec l'environnement.

La mise en œuvre de ces architectures fonctionnelles, qui conduit à un ajustement de la structure moléculaire en vue d'une modulation des propriétés de ces entités moléculaires, se situe à l'interface de la chimie organique, des sciences des matériaux, de la physique, et de la biologie. Le rôle du chimiste ne se limite pas à la conception et à la synthèse de la molécule fonctionnelle mais il implique également la prise en compte du cahier des charges complet lié à l'application visée, avec notamment la prise en compte de la compatibilité de la molécule dans l'environnement lié à l'application. Cette démarche, de type « bottom-up », requiert d'intégrer le passage de la molécule « isolée » au matériau (« dur » ou « mou »), en prenant en compte les interactions inter-moléculaires pour l'efficacité finale de l'édifice.

Dans ce cadre, les chimistes doivent développer une ingénierie moléculaire et/ou supramoléculaire « interactive » ciblée pour des matériaux répondant à un cahier des charges bien précis en vue de l'application visée. On citera ainsi :

(a) l'ingénierie de « fonction » destinée à contrôler les propriétés (spectroscopiques, physiques, magnétiques...) des molécules ou assemblages pour l'application visée. Bien que, dans de nombreux domaines, l'ingénierie concernant la relation structure moléculaire/propriétés ait été largement établie, l'optimisation des propriétés moléculaires ou l'exploration de nouveaux domaines (par exemple le proche IR dans la fenêtre de transparence des milieux biologiques ou les longueurs d'onde télécommunications pour l'absorption multiphotonique) requièrent un investissement important de la part des chimistes molécularistes. Cet investissement concerne aussi bien la synthèse de molécules purement organiques (linéaires à dendritiques) que celle de complexes de coordination, dans lesquels le métal joue un rôle prépondérant sur les propriétés de l'édifice. À cet égard, la collaboration avec des chimistes théoriciens est généralement primordiale, à la fois pour prédire mais également interpréter les propriétés. Par ailleurs, l'engouement pour les systèmes multifonctionnels (mise en œuvre dans le même matériau, d'au moins deux propriétés telles que l'opto-magnétique, l'opto-mécanique, la conduction/magnétisme, la luminescence/propriétés d'optique non-linéaire...) résulte de la richesse remarquable des structures moléculaires permises par une chimie organique de synthèse toujours plus performante. De telles associations de propriétés dépassant généralement leur simple juxtaposition, l'étude des propriétés conjointes engendrées pourrait conduire à des fonctionnalités très riches et à de nouvelles applications à exploiter.

(b) l'ingénierie de « forme » qui doit être réalisée de façon à optimiser les propriétés de la molécule fonctionnelle dans son environnement d'application. Cette phase se place au-delà du choix de la molécule modèle dont les propriétés microscopiques auront été optimisées, au préalable, en vue de l'application choisie.

En conséquence, la synthèse de matériaux hybrides avec une profonde compréhension et un contrôle des relations microstructures-propriétés devient cruciale. Ce travail d'ingénierie dépendra largement du type d'application visée. Les verres inorganiques à porosité variable, dont la synthèse utilise des méthodes de chimie douce, et les polymères dans lesquels les molécules actives sont incorporées simplement comme dopant ou par greffage ont été pendant une longue période les matrices d'accueil privilégiées, soit sous forme de systèmes massifs, soit sous forme de films minces. Dans ce cadre, les biopolymères ont pris un essor grandissant ces dernières années.

Cette ingénierie impliquera une fonctionnalisation des molécules modèles (a) pour le passage au matériau (greffage en matrice sol-gel ou polymère pour la photonique, l'électronique, à la surface de nanoparticules métalliques, de systèmes mésoporeux...) ou (b) pour la compatibilité aux milieux ou systèmes biologiques visés pour l'imagerie, la thérapie ou le diagnostic (hydrosolubilité, amphiphilie pour l'imagerie au sein des membranes, introduction de fonctions de ciblage). Cette adaptabilité au milieu de fonctionnement devra prendre en compte la modulation des propriétés des molécules dans leur environnement d'application : modification des propriétés de luminescence en milieu biologique, effet plasmon avec les nanoparticules métalliques, interactions moléculaires en matrice sol-gel ou polymère.