Matériaux nanocomposites nanostructurés (cristallisés et matière molle) : de leur élaboration, à leurs propriétés.
logo_tutelle logo_tutelle logo_tutelle 
Matériaux nanocomposites nanostructurés (cristallisés et matière molle) : de leur élaboration, à leurs propriétés.

Cylindrical phase of block copolymer matrix oriented upon a silicon substrate
(F. Aubrit, F. Gobeaux, P. Guenoun & F. Testard)

L'incorporation de nano-objets ou la nanostructuration (à une échelle < 100 nm) au sein d'un matériau (solide cristallisé ou matière molle) permettent d'élaborer des "nanomatériaux" aux propriétés physico-chimiques nouvelles (réactivité chimique, propriétés mécanique ou électrique, biologique...). Les structurations obtenues peuvent s'étendre du niveau moléculaire, au niveau mésoscopique, jusqu'au niveau macroscopique, chaque niveau d'organisation pouvant apporter des propriétés physico-chimiques originales.

De nouvelles techniques et procédés sont mis au point pour la réalisation de ces nanomatériaux à l'état solide : chimie, broyage,  manipulation de poudres, mélange, ultra sons, irradiation... Dans ces nanomatériaux secs et durs, les grains nanométriques sont en contact direct avec une densité d'interfaces très élevée.

Pour l'élaboration de "matière molle" nanostructurée, d'autres procédés passent par des voies liquides (fluidique et microfluidique) en mettant à profit des propriétés chimiques ou même biologiques d'objets d'origine organique ou inorganique de taille mésoscopique, de formes diverses, soumis à l'agitation thermique et interagissant sous l'effet de forces de dispersion ou électrostatiques.

Au sein des liquides ou dans les matériaux, les mécanismes d'auto-assemblage au cours de l'élaboration (couplage entre entités élémentaire, diffusion, auto-organisation, effets dynamiques...) sont le plus souvent très présents.

La mise au point de ces procédés d'élaboration présente encore de nombreux aspects très fondamentaux (nature des interactions entre "grains de matière", thermodynamique associée, diagramme de phase et transitions associées...) inséparable de l'attrait industriel pour ces nanomatériaux aux propriétés si originales. Concernant la matière molle on peut noter l'importance de l'étude de leur formulation et des propriétés de transport de poudres, de pâtes, de boues, d'émulsions ou de matières plastiques, dont il faut maîtriser l'écoulement et les propriétés mécaniques.


 

 

The incorporation of nano-objects or the nanostructuration (at a scale <100 nm) within a material (crystallized solid or soft material) allows developing  "nanomaterials" with new physico-chemical properties (chemical reactivity, mechanical or electrical, biological ... properties). The obtained structures can extend from the molecular level, at the mesoscopic level, up to the macroscopic level, each level of organization bringing original physicochemical properties.

New techniques and processes are developed for the elaboration of these nanomaterials in the solid state: chemistry, grinding, manipulation of powders, mixing,  , ultrasounds, irradiation ... In these hard nanomaterials, the nanometric grains are in direct contact with a very high interface density.

For the development of nanostructured "soft matter", other processes use liquid channels (fluidic and microfluidic) by taking advantage of the chemical or even biological properties of objects of organic or inorganic origin of mesoscopic size, shapes various, subjected to thermal agitation and interacting under the effect of dispersion or electrostatic forces.

In liquids or within materials, the self-assembly mechanisms during the elaboration (elementary coupling between entities, diffusion, self-organization, dynamic effects ...) are most often very present.

The development of these production processes still has many very fundamental aspects (nature of the interactions between "grains of matter", associated thermodynamics, phase diagram and transitions ...), which cannot be separated from the industrial appeal for these nanomaterials. with so original properties. Concerning the soft matter, it can noted the importance of the study of their formulation and their properties of transport of powders, pastes, sludge, emulsions or plastic materials, whose flow and properties must be controlled mechanical.

 
#18 - Màj : 25/07/2023
Faits marquants scientifiques
Ce que nous révèle la structure des biominéraux...

Chez les organismes vivants, les processus de biominéralisation régulent la croissance des tissus minéralisés, tels que les dents, les os, les coquilles… Ces procédés restent fascinants à étudier pour une meilleure compréhension du monde naturel qui nous entoure et de sa diversité, d'autant plus que ces recherches peuvent contribuer à l'élaboration de procédés biomimétiques pour la réalisation de nouveaux matériaux.

Une équipe interdisciplinaire française, à laquelle participe l'équipe du LIONS de l'UMR NIMBE, s'est intéressée à la bio-formation du carbonate de calcium, dont la structure complexe est encore largement incomprise. La texture complexe de matériaux naturels, observés auprès du synchrotron de l'ESRF par une méthode originale de diffraction de rayons X développée par l'Institut Frenel, est décrite et les résultats publiés dans la revue "Nature Materials". Un point de départ pour comprendre l'élaboration de ce composé, et définir les conditions physiques, chimiques et biologiques nécessaires pour produire de façon synthétique ce type de biominéraux.

Les structures carbonées nanométriques (nanotubes, fullerènes, plan de graphène,…) possèdent des propriétés de conduction électronique remarquables, dont on essaye de tirer parti pour réaliser de nouveaux dispositifs (capteurs, composant électronique, …), mais à condition de maitriser les différents procédés de leur mise en œuvre. Une équipe de l'IRAMIS/NIMBE vient d'apporter la démonstration d'un procédé générique de fonctionnalisation locale par microscopie électrochimique, à partir de films minces de graphène oxydé.

Le graphène oxydé peut être aisément déposé sur une très grande variété de substrats, et l’étape clé de notre méthode consiste à réduire localement cette couche carbonée à l’aide d’une microélectrode plongée dans une solution électrolytique. Les zones réduites, de taille micrométriques, deviennent alors conductrices, permettant d'y fixer une très grande variété de fonctions chimiques par simple électrogreffage de sels de diazonium.

Ce procédé, à base de graphène initialement oxydé, permet d'implanter localement et de façon contrôlée une grande diversité de fonctions chimiques à la surface de divers substrats, en particulier des isolants.

 

Contact : P. Viel

L'étude de molécules complexes ou de matériaux biologiques individuels nécessite de  savoir immobiliser ces objets sans altérer leurs fonctions actives. A l'image des bandes de papier tue-mouches ou plus précisément comme un scotch double face d'épaisseur moléculaire, le LCSI a développé des surfaces possédant des propriétés auto-adhésives capables de "coller" un grand nombre de matériaux organiques, minéraux et même biologiques. La fonctionnalisation de la surface du substrat est obtenue par le greffage pérenne de monocouches moléculaires robustes.

[1].
P. Viswanath, J. Daillant, L. Belloni, M. Alba, DRECAM/SCM - Service de Chimie Moléculaire
S. Mora (LCVN, Montpellier) et O. Konovalov (ESRF)

Fiche fait marquant au format PDF

Dissoudre du sel (NaCl) dans l'eau n'est pas anodin. En solution, le sodium et les chlore se séparent sous forme ionique Na+ et Cl-, s'entourent de molécules d'eau et se dispersent. Ceci modifie profondément la nature du solvant qui devient ainsi, par exemple, bon conducteur. Au niveau de la surface, la distribution des ions reste cependant encore très mal connue, bien que de nombreuses propriétés "de contact" en dépendent.

Ainsi, pourquoi HCl diminue-t-il la tension de surface de l'eau alors que NaCl l'augmente? Pourquoi KCl est-il deux fois plus efficace que NaCl pour cristalliser le lysozyme(i) ? Les questions de ce type, qui illustrent la spécificité ionique, abondent en biologie, science de l'environnement et de l'atmosphère, sciences des matériaux, physico-chimie… Ces effets, dont certains ont été décrits dès les travaux de Hofmeister en 1888 [1], n'ont cependant toujours pas trouvé d'explication globale. Jusqu'à présent, seules des lois empiriques ont pu être dégagées à partir d'observations généralement macroscopiques. La difficulté tient à ce que ces effets sont dus essentiellement à des couplages forts à très courte portée (en dessous du nanomètre) entre ions et molécules de solvant, et au manque de mesures de profils ioniques aux interfaces.

 

Retour en haut