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LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR En collaboration avec Expernova Novembre /

LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR En collaboration avec Expernova Novembre / 2015 MATÉRIAUX FONCTIONNELS ET FONCTIONNALISATION DE SURFACES Comment améliorer le comportement en service des matériaux ? SOMMAIRE 2 AVANT-PROPOS 3 FONCTIONNALISATION ORGANIQUE DES SURFACES 4 PROCÉDÉS CHIMIQUES 4 PROCÉDÉS ÉLECTROCHIMIQUES 5 MATÉRIAUX FONCTIONNELS, QUELQUES ACTEURS 6 PRÉSENTATION DES PANORAMAS EXPERNOVA 6 PROFILS D'ENTREPRISES 6 • BASF 6 • Merk 8 PROFILS DE LABORATOIRES DE RECHERCHE 9 • Lawrence Berkeley National Laboratory 9 • Institute of Colloids and Interfaces 11 POUR EN SAVOIR PLUS 13 SOMMAIRE L'élaboration de nouveaux matériaux et l'étude de leurs proprié- tés physiques et chimiques constituent un domaine de recherche particulièrement actif, en lien avec les demandes sociétales et industrielles dans les technologies de la santé, de l'environnement et de l'information. La dynamique d'innovation dans ce domaine repose sur les avancées techniques réalisées dans l'élaboration et surtout la structuration des matériaux, sur la mise en évidence de propriétés nouvelles liées à des effets de taille (nanoparticules, par exemple) et sur la maîtrise de la fonctionnalisation de surfaces avec son corollaire, le contrôle de la stabilité de l'interface créée. Cet aspect de fonctionnalisation de surfaces par des ﬁ lms minces organiques est absolument essentiel dans de nom- breuses applications telles que les capteurs chimiques ou biochi- miques, les dispositifs pour l'optoélectronique, la microélectro- nique, l'électronique moléculaire, la protection contre la corrosion et la « salissure » (packaging des puces microélectroniques, par exemple), la formation de ﬁ lms lubriﬁ ants pour la micro- ou la nanomécanique, la formation de ﬁ lms biocompatibles résistants... Le principe de base est extrêmement simple à comprendre : tout matériau interagit avec son environnement via sa surface et toutes les interactions avec cet environnement dépendent des propriétés surfaciques du matériau. Par conséquent, si l'on veut mettre à proﬁ t les phénomènes d'effets de surface, un contrôle ﬁ n de la chimie de surface est nécessaire pour pouvoir réguler les interac- tions du matériau avec le milieu environnant sans toutefois modiﬁ er les propriétés de structure de ce matériau. Un même matériau peut alors présenter des propriétés de surface différentes en fonction de la façon dont il a été fonctionnalisé. Le fonctionnement, les performances et la durabilité des dispositifs intégrant ces matériaux fonctionnalisés sont conditionnés par la maîtrise de la fonctionnalisation de surface. Celle-ci requiert des connaissances et un savoir-faire relevant à la fois de la recherche fondamentale et des applications technologiques. Ce livre blanc est composé d’un extrait de l’article Fonctionnalisation moléculaire des surfaces par réduction de sels d'aryldiazonium rédigé par Corinne LAGROST, Alice MATTIUZZI, Ivan JABIN, Philippe HAPIOT et Olivia REINAUD [IN165]. Retrouvez l’intégralité de l’article sur http://www.techniques- ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/surfaces-et-structures- fonctionnelles-42534210/fonctionnalisation-moleculaire-des-surfaces- par-reduction-de-sels-d-aryldiazonium-in165/ Il comprend également une sélection d’experts scientiﬁ ques ou industriels, et de profils d’entreprises et de laboratoire de recherche, travaillant sur les matériaux fonctionnels. Ces informa- tions sont extraites de la base de données Expernova. AVANT-PROPOS brins d'ADN, des molécules assurant une fonction spéci- ﬁ que (complexation d'ions métalliques, etc.), ou encore des molécules capables d'exécuter une fonction sous l'action de stimuli externes (lumière, variations de pH, application d'un potentiel électrique)... Dans les procédés chimiques, la première étape d'adsorp- tion est généralement très rapide. En revanche, l'autoas- semblage qui suit cette étape (c'est-à-dire la formation de domaines moléculaires ordonnés) est beaucoup plus lent. Il résulte d'un équilibre subtil entre interactions surface/ molécules et interactions intermoléculaires. Ainsi, il faut attendre plusieurs heures, voire plusieurs jours pour obtenir une couche compacte et bien organisée. La mise en œuvre est néanmoins facile et permet d'obtenir aisément des monocouches (couches ultraﬁ nes) sur la surface du maté- riau. Toutefois, elle nécessite généralement de cibler bien spéciﬁ quement un couple précurseur moléculaire/surface. FONCTIONNALISATION ORGANIQUE DES SURFACES Différentes approches ont été développées pour former des ﬁ lms organiques minces (1 μm à 100 nm) ou ultraminces (10 nm à 1 nm) sur des surfaces. On peut distinguer les méthodes dites de physisorption qui mettent en jeu des énergies de liaison faibles entre la surface et le ﬁ lm orga- nique (de l'ordre de quelques kJ · mol–1) et les méthodes de chimisorption ou plutôt de chimigreffage pour lesquelles les valeurs énergétiques sont nettement plus conséquentes, de l'ordre de la centaine de kJ · mol–1. L'établissement d'une liaison chimique forte entre la surface et la couche organique est forcément un atout car elle garantit une plus grande stabilité de l'interface formée et donc une plus grande robus- tesse des couches. On a donc tout intérêt à privilégier la voie chimigreffage dans l'optique d'une fonctionnalisation de surface robuste. Il existe deux grandes catégories de procédés de chimigreffage : les procédés chimiques et les procédés électrochimiques. PROCÉDÉS CHIMIQUES La surface est simplement mise en contact avec une solution contenant des molécules possédant une fonction terminale capable de réagir spontanément et très spéciﬁ quement avec la surface (ﬁ gure 1). L'autre extrémité des molécules est décorée par une fonction chimique choisie pour induire un effet de surface déterminé (propriétés de mouillage, par exemple) ou bien par une fonction chimique réactive permettant d'introduire une entité fonctionnelle à partir d'un couplage chimique sur la surface (post-fonctionnalisation). Les entités fonction- nelles peuvent être diverses suivant l'application considé- rée : des nanoparticules, des protéines, des anticorps, des LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr Figure 1 - Schéma d'une monocouche auto-assemblée sur un substrat MATÉRIAUX FONCTIONNELS ET FONCTIONNALISATION DE SURFACES 5 Par déﬁ nition, une monocouche moléculaire est un ﬁ lm organique déposé sur une surface qui est constitué d'une seule assise de molécules. Par opposition, on parle de multicouches lorsque le ﬁ lm organique est composé de plu- sieurs couches de molécules qui peuvent être régulièrement ordonnées en étages ou bien enchevêtrées. PROCÉDÉS ÉLECTROCHIMIQUES Ces procédés concernent des réactions électrochimiques au sens large, c'est-à-dire qui mettent en jeu un transfert d'électrons, soit hétérogène, soit homogène. Le point commun de ces méthodes est la production d'espèces radicalaires à partir du transfert d'électrons, espèces qui vont ensuite réagir pour former une liaison avec la surface. Les processus peuvent s'effectuer, soit par voie oxydante, soit par voie réductrice. Plus de contenu, d’actualités et d’informations sur www.techniques-ingenieur.fr LES FOCUS TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR MATÉRIAUX FONCTIONNELS, QUELQUES ACTEURS PRÉSENTATION DES PANORAMAS EXPERNOVA Expernova propose une sélection d’experts scientiﬁ ques ou industriels. Pour chaque acteur, vous disposerez d’un profil de compétences mis à jour au moment de la commande, d’une sélection de travaux ciblés et d’une présentation de son réseau de partenaires. Grâce à ces proﬁ ls de compétences, vous pourrez rapide- ment comprendre le positionnement d’un expert, évaluer la portée de ses travaux et choisir l'expert pertinent pour votre projet. Les Packs Proﬁ ls sont générés et mis à jour grâce à la technologie unique de cartographie dévelop- pée par Expernova. La base de données Expernova est en constant développement, et donc chaque Pack Proﬁ les mis à jour à une date donnée est potentiellement différent des autres Packs Proﬁ ls générés à d’autres dates sur le même sujet. CE DOSSIER CONTIENDRA : Une sélection de concepts et compétences clés • Les travaux scientiﬁ ques de l’expert, ciblés sur le sujet du pack • L’afﬁ liation, c'est-à-dire l’établissement ou l’entreprise de rattachement de l’expert • Les brevets de l’expert ciblés sur le sujet du pack • Les principaux partenaires de l’expert (co-auteur de ses travaux) Retrouvez ci-après un extrait des informations d’un Panorama Matériaux fonctionnels. PROFILS D’ENTREPRISES BASF At BASF, we create chemistry - and have been doing so for 150 years. As the world's leading chemical company, we combine economic success with environmental protection and social responsibility. Through science and innovation we enable our customers in nearly every industry to meet the current and future needs of society. In line with our corporate purpose, around 113,000 employees contribute to the success of our customers in nearly all sectors and almost every country in the world. Our broad portfolio ranges from chemicals, plastics, performance products and crop protection products to oil and gas. In 2014, BASF posted sales of € 74.0 billion and income from operations before special items of approximately € 7.6 billion. We combine economic success with environmental protection and social responsibility. Through research and innovation, we support our customers in nearly every industry in meeting the current and future needs of society. We have summed up this contribution in our corporate purpose: We create chemistry for a sustainable future. http://www.basf.com QUELQUES EXPERTS • WALTER H OHRBOM • THOMAS SUBKOWSKI • GEORG SCHMIDT • MATTHIAS BARTZSCH • KASTLER MARCEL • SILKE ANNIKA KOEHLER • FLORIAN FELIX 7 MATÉRIAUX FONCTIONNELS ET FONCTIONNALISATION DE SURFACES QUELQUES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES • BIOINSPIRED DEPOSITION OF TIO2 THIN FILMS INDUCED BY HYDROPHOBINS Date de publication : 2010 The deposition of ceramic thin ﬁ lms from aqueous solutions at low temperature using biopolymers as templates has attracted much attention due to economic and environmental beneﬁ ts. Titanium dioxide is one of the most attractive functional materials and shows a wide range of applications across vastly different areas because of its unique chemical, optical, and electrical properties. In the present uploads/Ingenierie_Lourd/ livre-blanc-materiaux-fonctionnels-et-fonctionnalisation-de-surfaces.pdf