Back to home page

Conclusions, perspectives et objectifs.

            Les propriétés et applications de la "Matière Molle" dépendent au moins autant de la composition et de la structure des matériaux synthétisés, que de leurs caractéristiques conformationnelles et dynamiques.

            Parmi ces matériaux, nous nous sommes toujours plus particulièrement intéressés à des matériaux hétérogènes , car ils permettent d'allier des propriétés antagonistes :   oxyde vs. eau dans les gels d'oxyde de métaux de transition, organique vs. inorganique pour les matériaux hybrides, rigidité d'un cœur aromatique conjugué vs. mobilité des chaînes aliphatiques vs. polarité des éther pour les cristaux liquides à chaînes PEO ...

            Parmi toutes les propriétés qui peuvent être atteintes par ces composés, il y en a une qui est prépondérante dans notre travail : c'est la mobilité ionique et les applications de conductivité ionique qui en découlent. Ces matériaux doivent donc contenir un nombre important de maillons polaires afin d'y dissocier des sels tout en conservant une mobilité segmentale élevée qui doit permettre une diffusion rapide des ions. Parallèlement, nous étudions des matériaux possédant d'autres propriétés mais qui nécessitent toujours la présence d'une phase amorphe de dynamique élevée.

            Ensuite, il s'agissait de trouver des outils spécifiques pour sonder les propriétés de ces matériaux. Nous avons donc chercher à nous diversifier en utilisant des techniques complémentaires : RMNs (avec un "s" qui doit nous rappeler que sous le couvert d'un sigle unique, il s'agit en fait d'un univers de techniques différentes, spectroscopies d'absorption des RX et Raman, spectroscopie d'impédances complexes, mesures mécaniques …   Ces techniques semblent tout à fait adaptées pour apporter rapidement des données fondamentales sur nos matériaux aussi bien d'un point de vue structural que dynamique.

       Notons que par c'est par le biais de collaborations fructueuses, aussi bien locales, nationales qu'internationales que ce travail peut présenter une telle diversité. C'est d'ailleurs cette démarche que nous allons poursuivre dans les prochaines années, de manière à pouvoir continuer à travailler avec de nouveaux matériaux nanostructurés et/ou anisotropes (poly)fonctionnalisés .

a) Nouveaux matériaux organisés nanostructurés

            Une suite logique à nos travaux consiste à synthétiser des cristaux liquides ou des polymères cristaux liquides comportant une ou plusieurs   fonctionnalités spécifiques, telle que la structure imaginaire et imaginative présentée ci-dessous :

              S'il est clair que la molécule présentée ci-dessus est tout à fait fictive, elle a le mérite de montrer la diversité moléculaire considérable qu'il est possible d'atteindre avec ces matériaux. Les possibilités de former de nouvelles phases et d'associer les propriétés sont évidemment presque infinies. Nous avons en effet montré ces dernières années que des molécules dont les formes sont très éloignées des "classiques" calamitiques (bâtonnets) ou discotiques (disques) permettent également d'obtenir des phases ordonnées. Après avoir cherché à obtenir des phases nématiques faiblement ordonnées mais très efficaces pour mettre au point des méthodologies spectroscopiques (RMN, impédances complexes …), il nous semble maintenant judicieux de concevoir des phases plus ordonnées telles que des smectiques, lamellaires, colonnaires ou cubiques …

 

Le choix de l'architecture moléculaire permet de régler le degré d'organisation et d'ordre au sein de ces matériaux fluides. La structuration de la matière à une ou deux dimensions devrait permettre d'exalter le comportement anisotrope et des propriétés recherchées. Par exemple, dans le cas de matériaux dopés avec des sels de lithium dans une matrice à base de PEO, la possibilité de passer d'une conductivité ionique 3D à une conductivité 2D et finalement une conductivité 1D est envisageable en modifiant la nature de la phase cristal liquide (respectivement isotrope ou nématique, smectique ou lamellaire et colonnaires). L'utilisation de copolymères blocs, [alkyl-PEO] n , commerciaux ou originaux est une voie que nous explorerons également : elle offre une grande diversité de structurale avec une chimie réduite à quelques étapes synthétiques.

 

b) Nouvelles applications

            Les cristaux liquides sont des phases fluides, ce qui pose un problème de mise en œuvre. Ce problème peut être contourné en synthétisant des matériaux hybrides cristaux liquides polyfonctionnels fortement anisotropes qui pourraient être obtenus à partir d'un état pré-orienté par polymérisation et/ou condensation des centres réactifs. La concentration et la proximité de fonctionnalités différentes doit amener à une synergie des propriétés. Ces gels cristaux liquides sont des matériaux novateurs entre l'état lyotrope et l'état solide. De telles structures peuvent être utilisées pour y dissoudre des sels, des molécules organiques ou inorganiques, et il est alors évident qu'elles peuvent servir de moules ("templates") pour la formation d'objets inorganiques, organiques ou polymériques. Ces structures peuvent également avoir un caractère biomimétique, d'autant plus affirmé que des fragments plus "biologiques" peuvent être insérés dans ces structures [(poly)peptides, (poly)saccharides …]. Le champ d'application de ces structures nouvelles peut être énorme et s'étend, entre autres, aux domaines suivants :

            - conducteurs ioniques et électroniques anisotropes, matériaux pour l'optique non-linéaire ;

            - milieux membranaires et semi-perméables ;

            - films minces et peintures bio-mimétiques, systèmes ordonnés ;

            - milieu de croissance pour les tissus ;

            - encapsulation de substances bioactives ;

            - phases pour la chromatographie et la séparation …

 

Un objectif ambitieux est d'obtenir un matériau stimulable, c'est à dire de pouvoir changer la dimensionnalité de la conductivité sous l'effet d'une contrainte externe telle qu'une variation de température, de luminosité, de pH ou la présence de dopants. Indépendamment, nous pouvons régler la nature, la sélectivité et la force de la complexation avec des ions divers en choisissant la géométrie et la structure de l'entité complexante : polyamine ou polyéther, linéaire, coronand, cryptand …  

L'aboutissement suprême de cette démarche de synthèse serait alors d'obtenir un élément fonctionnel tel qu'un interrupteur ionique dont la conductivité changerait de manière considérable selon l'état de la phase (liquide isotrope, nématique, smectique, cristallin), par exemple en fonction de la température ou de la luminosité.

 

c) Nouvelles méthodologies

       L'optimisation des matériaux nécessite la compréhension des détails et de la globalité des mécanismes mis en jeu . Par exemple, dans le cas des conducteurs ioniques qui représentent une partie importante de nos travaux actuels, la seule mesure de conductivité ionique n'est pas suffisante, car celle-ci intègre aussi bien le mouvement des cations, que celui des anions ou de clusters ioniques chargés plus gros. Or, jusqu'à présent, les applications généralement envisagées pour ces matériaux nécessitent une mobilité élevée pour le seul cation. L'analyse de la littérature scientifique   permet de juger l'importance et l'actualité de cette question et montre l'incroyable sensibilité de la nature de l'espèce mobile à tous les paramètres externes : nature du polymère et du sel dissous, température … Cette analyse permet également de montrer l'ampleur du problème expérimental lié à la détermination de ces espèces (ions isolés, ions dissous, paires d'ions agrégats …) plus ou moins désordonnées et coexistant dans un équilibre plus ou moins rapide.

  

Dans ce domaine, il est évident que l'étude de matériaux modèles permettant de mesurer la structure locale pour chaque composante dissoute, puis les interactions entre ces composantes en tenant compte de la dynamique de ces systèmes est la clef de voûte de nos projets.

Dans ce cadre nous avons plus spécifiquement deux projets qui ont été récemment acceptés :

          - un financement par le CNRS dans le cadre de l'Action Concertée Incitative "Energie, Conception Durable" sur un projet nommé "Hybridion, Membranes conductrices protoniques hybrides" piloté par P. Barboux (laboratoire PMC, Ecole Polytechnique, Saclay) et en partenariat avec O. Spalla (CEA, Saclay) pour la période 2004-2007. Ces membranes nanocomposites peuvent servir d'électrolytes dans les piles à combustible, et nous devons déterminer l'origine des mécanismes de conductivité : phénomènes à la surface des particules d'oxyde ou au sein du matériau polymère ?     

       - l'attribution de temps d'expérience au synchrotron DESY (Hambourg, Allemagne) pour une durée de 3 ans (5 jours par an, 2004-2006) en collaboration avec V. Briois (Soleil, Orsay) et D. Reichert (Halle, Allemagne). Après nos premières armes dans ce domaine avec les électrolytes dopés au sodium et au potassium, il est évident que le maximum d'informations nécessite d'utiliser des éléments qui donnent une réponse en XAFS et en RMN. C'est pourquoi nous allons étudier des électrolytes modèles dopés par des sels d'argent et de césium. Nous étudierons l'influence du polymère, du sel de la concentration et surtout nous aurons l'occasion de mesurer l'EXAFS de ces cations sous champ électrique

Parallèlement, nous continuerons à utiliser nos méthodologies à de nombreuses problématiques dans le domaine des polymères, des élastomères mais également à des poreux ou des bétons, en continuant à mesurer non seulement les propriétés individuelles des constituants mais également leurs interactions supramoléculaires. Il est évident que dans ce cadre, l'aquisition d'un appareil de RMN du solide et en particulier équipé de forts gradients de champ permettrait d'apporter un niveau d'analyse bien supérieur.  

Le cycle synergique [synthèse/analyse/compréhension] n devrait permettre d'améliorer les propriétés de ces matériaux. Après toutes ses étapes, il apparaît primordial de pouvoir proposer des modèles et de les corroborer aux simulations numériques. De tels modèles commencent à être proposés, mais la confrontation avec des mesures expérimentales est encore quasi inexistante.

       Nous pouvons remarquer que les matériaux structurés et/ou orientés sont au carrefour de nos différentes préoccupations car ils présentent des propriétés innovantes, d'où des applications prometteuses encore à peine déflorées, mais également des ressources analytiques d'une richesse tout juste aperçue. Les travaux que nous présentons et continuerons à développer peuvent à priori paraître éloignés, mais doivent nous conduire sur de nouveaux tremplins, vers une recherche créative, innovante et pluridisciplinaire, et ce en collaboration avec de nombreux groupes de recherche français et étrangers. Afin de faciliter les contacts et les échanges entre les membres de cette communauté qui s'intéresse à la mesure des interactions supramoléculaires et à leurs applications (nouveaux matériaux, électrolytes, biophysque..), nous esperons également trouver le temps d'animer un site web et un forum de discussion ouvert à la communauté des spectrocopistes des matériaux mous.

 

Back to home page

Last Update : March 1, 2006