Développer des méthodes pour élaborer des matériaux complètement nouveaux aux propriétés originales
L’axe (nano)matériaux du NIMBE fédère des activités interdisciplinaires autour de l’étude de matériaux à différentes échelles, dans leur volume ou à l’échelle nanométrique. Ces différents (nano)matériaux sont synthétisés à façon via des protocoles et des dispositifs originaux, équipés, pour un grand nombre, de diagnostics in situ. De la brique élémentaire à leur organisation 1D, 2D ou 3D, l’objectif est de maitriser la conception et la synthèse, la caractérisation fine, la mise en forme, ainsi que la mesure des propriétés de ces (nano)matériaux en réponse à des questionnements scientifiques et/ou à des applications répondant à des enjeux de dimensions sociétale et environnementale. Les ambitions de cet axe (nano)matériaux concernent notamment la maitrise des matériaux pour la transition énergétique, la prise en compte du recyclage et plus globalement du cycle de vie, le développement d’une approche Safe and Sustainable by Design (SSbD) dès la conception, la mise au point de nouveaux procédés de synthèse plus respectueux de l’environnement, la compréhension des mécanismes de formations sous-jacents et le vieillissement pour une meilleure conception,… Cet axe est en forte interaction avec les trois autres axes thématiques du NIMBE.
L’axe (nano)matériaux regroupe environ 60 permanents, il est divisé en 4 sous-axes :
Procédés de synthèse et diagnostics in situ
Le NIMBE a développé une grande expertise autour des procédés innovants pour la préparation de nouveaux nanomatériaux, leur caractérisation et l’analyse de leurs propriétés. Un effort particulier porte sur le développement instrumental de nouvelles techniques de caractérisation et de mises en forme d’échantillons à différentes échelles. Cette connaissance et la complémentarité des nombreux outils de caractérisation permet une maitrise multi-échelle de toute la chaine de valeur (synthèse- – caractérisation – dispositifs – usages).
Le NIMBE possède des instruments uniques permettant l’exploration des compositions, des dimensionnalités des matériaux et de leurs propriétés physiques et chimiques. Certains de ces instruments sont regroupés sous forme de plateformes ouvertes à la communauté. In fine, la maitrise des nanomatériaux nécessite de comprendre les mécanismes sous-jacents à leur formation, leur organisation et leur intégration dans un dispositif. Pour répondre à cet enjeu, le NIMBE développe depuis plusieurs années un savoir-faire spécifique dans les outils de caractérisation in situ et/ou operando à l’échelle du laboratoire ou en lien avec les grands instruments. Le couplage théorie/expérience, le développement de méthodologie de traitement et d’aide à la prédiction permettent des avancées majeures dans le domaine de la synthèse de nouveaux (nano)matériaux et de dispositifs innovants.
Matériaux du patrimoine
La spécificité des matériaux du patrimoine réside dans la complexité des systèmes dont les caractéristiques physicochimiques (microstructure, composition) sont hétérogènes jusqu’aux échelles nanométriques. Dans le cadre des études menées au NIMBE, ces matériaux du patrimoine sont étudiés en suivant deux grands axes thématiques :
– la compréhension des productions historiques (métaux, verre, et pour des matériaux plus récents les plastiques) grâce à des collaborations interdisciplinaires (historiens, archéologues)
– l’étude de l’effet du temps long sur leur évolution.
Ces problématiques intéressent les industriels pour bénéficier de retours d’expériences sur l’état de dégradation en conditions naturelles de ces matériaux (évolution de la chimie et des propriétés mécaniques de plastiques par ex). Ils peuvent être exploités comme analogues pour la prévision du comportement à long terme de matériaux utilisés dans le cadre du stockage des déchets radioactifs (analogues archéologiques ferreux pour la corrosion des aciers, analogues vitreux pour le colis de déchet). Différentes méthodologies combinant des techniques multi-échelles pour déterminer les propriétés de ces matériaux anciens sont nécessaires pour comprendre les mécanismes fins de dégradation. Enfin un axe est consacré au développement de traitements innovants de préservation de ces objets patrimoniaux dans le cadre de thématiques initiées en conservation-restauration.
Systèmes hybrides ou composites
Au sein du NIMBE, de nombreuses familles de matériaux et nanomatériaux sont élaborées par voie solide, liquide ou gazeuse, puis caractérisées finement. Ces matériaux de différentes dimensionnalités peuvent ensuite être associés afin de combiner leurs propriétés physico-chimiques à façon. Les synthèses développées au NIMBE sont multiples et couvrent différents états de la matière, des synthèses en phase gazeuse (pyrolyse laser ou flamme, CVD) aux synthèses en solution (colloïde, sol-gel, électrochimie, greffage). La mise en forme de ces (nano)matériaux passe par l’ajustement ou le développement de procédés innovants tels que les procédés de revêtements de surface (spin coating, dip-coating, PVD, enduction, …), les procédés de frittage, coulage, … ou l’association de procédés existants ou spécifiquement développés. Les systèmes hybrides ou composites obtenus, sont ensuite étudiés pour leurs propriétés dans différents domaines d’applications, comme par exemple : hétérojonctions pour la (photo)catalyse, matériaux hybrides pour le stockage de l’énergie ou l’environnement, capteurs ou nano-vecteurs pour la biologie, hétérostructures et composants pour l’électronique et l’optique, matériaux structuraux,…. Le développement de ces matériaux hybrides ou composites fait souvent l’objet de collaborations étroites avec des industriels.
Matériaux du futur pour l’électronique ou l’optique
Les nanomatériaux ont un très fort potentiel pour être utilisés comme briques de base dans la conception de dispositifs électroniques, optiques et optoélectroniques. En effet, leur taille et leur dimensionnalité (0D, 1D, 2D) ont un impact très important sur leurs propriétés optiques et électroniques qu’il est possible d’exploiter dans des dispositifs innovants. Les chercheurs du NIMBE s’intéressent ainsi à l’étude de plusieurs classes de nanomatériaux et à leur intégration dans des dispositifs (transistors, phototransistors, OLEDs, etc.). A titre d’exemples on peut citer :
– l’étude de l’émission de photons uniques par des nanoparticules de graphène synthétisées chimiquement (lien 1)
– l’intégration de nanotubes de carbone triés en chiralité comme sources et détecteurs de lumière infrarouge aux longueurs d’onde télécom (lien 2)
– l’étude operando de la densité de charges dans des transistors à base de MoS2 bidimensionnel (lien 3).