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15 Chimie des matériaux Nanomatériaux et procédés Président Claude DELMAS Membr

15 Chimie des matériaux Nanomatériaux et procédés Président Claude DELMAS Membres de la section Francis ABRAHAM Thierry BATAILLE Emmanuel BAUDRIN Grégory BERTHOME Jean-Marie DUBOIS Abdeslam EL MANSSOURI Fabien GRASSET Pascal GRESSIER Christian GUIZARD Alain HAZOTTE Marie-France JOUBERT Philippe LEONE Antoine MAIGNAN Francis MAURY Jean-Luc REHSPRINGER Vincent ROUESSAC Philippe THOMAS Matias VELAZQUEZ Emmanuel VERON Cathie VIX Introduction La Section 15 rassemble une communauté de 333 chercheurs CNRS rattachés pour la plupart à des unités appartenant à l’Institut de Chimie (INC), mais également aux divers autres Instituts (INP, INSIS, INSU, INEE et INSB). Dans les laboratoires dépendant de la Section 15, où l’on trouve également 700 enseignants-chercheurs, les recherches développées portent sur la chimie des matériaux, des nanomatériaux et sur les procédés. Il s’agit tout à la fois de créer de nouveaux matériaux et d’étudier l’ensemble de leurs propriétés afin de produire de la connaissance qui sera le terreau des applications du futur, mais aussi de proposer des matériaux pour les innovations d’aujourd’hui et de demain. Ces recherches tout aussi fondamentales imposent d’orienter les choix vers des matériaux répondant à des cahiers des charges précis, définis par les propriétés d’usage et des niveaux de performances qui ouvriront la voie à des applications réelles. Dans ce contexte, la thématique «génie des procédés», composante forte de l’activité des chercheurs de la Section 15, joue un rôle essentiel. Les activités de la Section 15 ont toujours été marquées par de fortes relations avec le monde socio-économique et notamment industriel. Les recherches, historiquement basées sur la chimie du solide et la métallurgie, sont devenues très multi- disciplinaires et sont réalisées en collaboration avec les autres Instituts du CNRS. Les évolutions récentes concernent les matériaux hybrides et bio-inspirés, les nanomatériaux, les problèmes de mise en forme et de structuration multi-échelles, le développement de nouveaux procédés. Dans tous les cas, la modélisation et la simulation jouent un rôle essentiel. Dans cette présentation, afin de mettre en évidence les aspects sociétaux de nos recherches, les activités ont été déclinées en montrant l’implication des matériaux dans les grands domaines que sont l’énergie, l’environnement, l’habitat, les technologies de l’information et de la communication, les matériaux de structure et la santé. D’autres secteurs comme les transports ne sont pas ignorés via les problématiques transverses énergie et allègement de structures. Toutes ces recherches s’appuient sur la création de nouveaux matériaux qui nécessite d’ouvrir de nouvelles voies de synthèse, de caractérisation et de mise en œuvre de procédés. Rapport de conjoncture 2010 1 – Création de matériaux : de la synthèse au procédé 1.1 Synthèse Créer de nouveaux matériaux, déterminer leur structure, étudier et optimiser leurs propriétés constituent le fondement de l’activité du chimiste. Dans le cas de la chimie du solide et de la métallurgie, cette approche est complétée par la science et l’ingénierie des matériaux qui permet de passer du matériau «idéal», c’est-à-dire présentant des propriétés de base optimales, au matériau réel présentant des propriétés macroscopiques utilisables pour un usage spécifique et résultant des changements d’échelle, des comportements multifonctionnels (couplages multiphysiques) et de la prise en compte de la durabilité. La créativité peut conduire à de nouvelles formules chimiques, de nouvelles structures, de nouvelles textures qui, ensemble, permettent l’émergence de nouvelles propriétés et leurs modulations. Ces nouveaux matériaux peuvent être métalliques, inorganiques ou hybrides organique/inorganique. Ils peuvent être parfaitement ordonnés (du monocristal à la nanoparticule monocristalline), désordonnés (vitreux ou amorphes), apériodiques, poreux, polyphasés (du composite à la vitrocéramique, des aciers aux alliages métalliques), (nanostructurés, micro- ou nano-particules, cœur-écorce, framboises, Janus, fibres cœur-gaine, etc.) ou fonctionnalisés. Leur morphologie va du nano-objet au matériau massif en passant par les systèmes pulvérulents, les films minces, les fibres et les cristaux à morphologie contrôlée. Si certaines applications nécessitent l’élaboration de matériaux monophasés de grande pureté, une partie de plus en plus importante des systèmes réels utilise des matériaux polyphasés ou des assemblages de matériaux. Dans ce dernier cas, la maîtrise des interfaces joue un rôle considérable en créant de nouvelles propriétés ou en permettant de maîtriser la durée de vie des systèmes dans des conditions d’utilisation qui, dans certains cas, sont extrêmement contraignantes (agressivité chimique et conditions extrêmes). La créativité concerne également la découverte de nouvelles voies de synthèse (chimie douce, lego chimique, milieu supercritique, etc.) qui permettent, en conduisant à des structures (ou des textures) métastables, d’ouvrir considérablement le champ des matériaux imaginables. Toutes les propriétés présentées ci-dessus sont conditionnées par la nature des liaisons chimiques qui sont créées lors de la synthèse et de la mise en forme des matériaux. Pour le chimiste du solide la problématique peut paraître très simple : il suffit de jouer avec la stabilité intrinsèque des liaisons chimiques dans les conditions de synthèse et d’utilisation des matériaux, mais également avec la compétition entre les diverses liaisons. Elle est en fait extrêmement compliquée étant donné le nombre considérable de paramètres mis en jeu. Les diverses techniques de modélisation et de simulation jouent un rôle de plus en plus important pour guider le chimiste dans la conception des matériaux. En particulier, le développement et l’utilisation des méthodes de calculs de chimie quantique (type théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)) ou d’autres méthodes à l’échelle microscopique (dynamique moléculaire, etc.) devront être généralisés. En ce qui concerne la synthèse des matériaux outre les voies classiques de la chimie du solide, il est crucial de donner une place importante à toutes les techniques de type chimie douce qui peuvent conduire à l’obtention de matériaux métastables susceptibles de présenter des propriétés physiques intéressantes. On peut citer de façon non exhaustive : • la synthèse en milieu micro-onde, • le frittage flash utilisé comme voie de synthèse, • l’intercalation électrochimique qui permet de moduler les compositions de façon continue et de fixer le niveau de Fermi, • toutes les techniques d’élaboration de couches minces, • la synthèse colloïdale, • la fonctionnalisation de particules, • l’utilisation des milieux supercritiques et leur généralisation à la microfluidique, • la généralisation des méthodes biomimétiques. Si l’étude des «nano» devra être poursuivie, notamment pour leurs propriétés spécifiques, il est important de continuer à étudier toutes les classes de matériaux et en particulier les monocristaux massifs, présentant des taux de défauts contrôlés, qui jouent un rôle stratégique dans de nombreux domaines industriels. Un effort devra également être poursuivi pour optimiser l’élaboration «bottom-up» de films minces et les techniques de dépôt afin d’améliorer l’homogénéité des couches et la qualité des revêtements. Ces matériaux particulièrement sophistiqués, pouvant être utilisés dans des conditions réelles très éloignées du domaine classique, jouent un rôle essentiel dans la durée de vie des systèmes. Il faudra également considérer l’élaboration des nouvelles membranes qui prennent une importance croissante dans le traitement du gaz, la production d’énergie, la médecine régénératrice et dans divers procédés industriels (papier, pétrochimie, textile, chimie et biotechnologie). 1.2 Caractérisations structurale, chimique et physique La diffraction des rayons X est l’outil de base du chimiste du solide. La généralisation de la méthode Rietveld, associée aux performances des nouveaux diffractomètres permettant de résoudre les structures sur poudre avec une excellente précision, est devenue un outil courant dans tous les laboratoires. L’évolution actuelle concerne le développement d’analyses in situ permettant de remonter aux processus de formation des matériaux. L’association avec la diffraction neutronique permet d’avoir une excellente caractérisation structurale à longue distance. Le couplage avec d’autres techniques, donnant des informations plus locales, telles que la microscopie électronique, la RMN du solide, l’absorption X, l’XPS, la spectroscopie Mössbauer et la spectroscopie Raman, permet d’accéder à une connaissance multi-échelles des matériaux. Les caractérisations multi-échelles des matériaux 15 - Chimie des matériaux Nanomatériaux et procédés (chimiques et texturales) sont également accessibles en associant de nombreuses autres techniques (spectroscopies Auger, Castaing, TOF-SIMS, NanoSIMS, GD-OES, FIB, microscopies de champ proche). L’utilisation des grands instruments (rayonnement synchrotron, neutrons), pour lesquels l’ensemble des laboratoires relevant de la Section 15 est désormais sensibilisé, a joué un rôle essentiel. L’ouverture, dans les années à venir, de toutes les lignes du synchrotron de 3ème génération SOLEIL offrira de nouvelles perspectives d’analyses en chimie des matériaux. La résolution structurale des matériaux, principale caractérisation de la matière cristalline généralement réalisée en amont des applications, peut désormais être abordée de manière plus précise, comme le montre l’essor de la cristallographie des macles, des structures modulées et incommensurables, des composites ainsi que des matériaux polycristallins. Un second aspect associé à la puissance des flux et la faible divergence des faisceaux de lumière est la micro-analyse et l’imagerie à l’échelle micro- ou sub-micrométrique, ainsi que le suivi des cinétiques de transformations ou de la dynamique de réseau. L’opportunité de réaliser des mesures optiques éventuellement couplées et/ou in situ permet également d’enrichir considérablement le front des connaissances de la structure des matériaux étudiés. On citera notamment les méthodes spectroscopiques réalisées avec différentes sources spectrales depuis l’infrarouge jusqu’aux rayons X et également l’utilisation de sondes locales telles que la RMN du solide qui connaît un essor considérable grâce, entre autres, à l’existence récente de la «TGE décentralisée RMN Très Hauts Champs». Dans le même esprit, il faut noter la création récente par le CNRS, avec uploads/Ingenierie_Lourd/ 15-conj-2010-pdf.pdf