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.
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Le graphène est un matériau carbonné bidimensionnel aux propriétés structurales, électroniques et de conduction thermique originales que l'on cherche à exploiter. Au-delà de la simple utilisation de feuillets de graphène (pour l'électronique haute fréquence, ou en tant qu'anode d'accumulateurs...), d'autres applications sont aussi envisagées, pour lesquelles le feuillet de graphène doit être nanostructuré, pour améliorer ses propriétés optiques ou catalytiques ou permettre la réalisation de capteurs ciblés. Une collaboration du LSI avec des équipes italiennes de l’Université de Bologne et du Politecnico de Turin, ainsi que l’équipe allemande de l’accélérateur d’ions lourds du GSI (Darmstadt) propose une technique originale d'irradiation aux ions lourds rapides d'un monofeuillet de graphène pris en sandwich dans un système multicouche polymère-graphène-cuivre. Le traitement chimique, mis au point au LSI, rend possible l’obtention d’un graphène nanoporeux 2D supporté, robuste et facilement manipulable. La méthode de synthèse nécessite peu d’étapes et est facilement industrialisable sur de grandes surfaces. |
A l’heure où nous nous interrogeons sur les réserves de combustibles fossiles de notre planète et sur les conséquences de l’effet de serre sur le réchauffement du globe, l’hydrogène est considéré comme le vecteur énergétique d’avenir pour les transports. Les recherches conduites par le CEA portent sur toutes les étapes de cette filière : production, stockage, transport, distribution et utilisation. Dans cette filière, l'hydrogène produit à partir d'énergie primaire, solaire, nucléaire, éolien, chimique... est embarqué dans le réservoir du véhicule et une pile à combustible, élément permettant la conversion propre (sans émission de CO2) de l'énergie chimique en énergie électrique, associée à un moteur électrique remplace alors le moteur à essence de nos voitures.
Parmi les différents types de piles adaptées aux applications de transport, les plus intéressantes sont de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Ces piles contiennent en particulier une membrane polymère capable de jouer le rôle d’électrolyte solide. Dupont De Nemours commercialise une membrane à base de polymère perfluoré sulfoné, le Nafion®. Cette membrane présente cependant quelques inconvénients comme une autonomie médiocre (< 5000h de fonctionnement), une fragilité mécanique, l’incapacité à fonctionner en milieu anhydre… L’équipe des "Polymères Irradiés" du LSI essaie de répondre à ces problèmes en proposant un nouveau type de membrane.
Les applications des nanoparticules sont nombreuses mais dépendant généralement de leur taille. Ainsi, les propriétés optiques (réflectivité sélective, absorption, propriétés optiques non linéaires) d’un matériau diélectrique peuvent être modifiées en introduisant dans la matrice hôte des particules métalliques de taille nanométrique bien définie. Contrôler la taille, la morphologie et l’environnement chimique des nanoparticules, permet de modifier par exemple de façon contrôlée la valeur de la résonance du plasmon de surface et donc les propriétés macroscopiques de la matrice hôte.
