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Rhéologie trans-échelle et mise en forme des polymères et colloïdes

Problématique scientifique et stratégie.

L’objectif de cette thématique est de comprendre et de prédire le comportement et la fabrication de nanomatériaux au service de la santé et de l’environnement. Les domaines d’applications potentiels sont étendus et à fort impact socio-économique : les industries bio-médicales, cosmétiques, automobiles, les revêtements, les nanotechnologies, la production et le stockage de l’énergie.... Autant de domaines où les enjeux et les défis à relever sont de taille, et sur lesquels nous nous proposons de progresser.

Les matériaux traités dans cette thématique sont structurés aux échelles nanoscopiques, mésoscopiques et macroscopiques. La maîtrise des procédés de mise en œuvre, le contrôle des propriétés d’usage et de fin de vie de cette classe de matériaux sont conditionnés par une compréhension fine, complète et globale des comportements structuraux et rhéologiques à toutes les échelles concernées et à la mise en lumière des synergies susceptibles de se développer entre ces échelles.

Notre problématique scientifique se focalise donc sur la détermination, la compréhension et la simulation des relations entre la structure aux échelles nano et mésoscopiques et le comportement à l’échelle macroscopique. Pour cela nous développerons une stratégie globale réellement trans-échelle et multidisciplinaire, qui sera mise en œuvre d’une part pour comprendre le comportement des nanomatériaux polymères et des systèmes auto-assemblables, et d’autre part pour contrôler leurs propriétés macroscopiques à travers leur design nanométrique et son interaction avec la mise en forme.

Production prévue

  • Elaborer de nouvelles méthodes pour sonder le comportement rhéophysique à l’échelle nanométrique des objets polymères constituants les nanomatériaux. Exploiter ces comportements nano-rhéologiques pour élaborer des revêtements respectueux de l’environnement sans composés organiques volatils (COV). Les objectifs à terme sont d’optimiser la durabilité des mélanges de polymères issus du recyclage et de prédire la stabilité des nanostructures pour les applications nanotechnologiques.
  • Valoriser les ressources issues de la matière verte et optimiser l’utilisation des matériaux issus des ressources non renouvelables. Cet objectif sera atteint à travers une stratégie globale pour l’élaboration de nanocomposites associant les propriétés des polymères issus du pétrole à celles de bio-polymères d’une part, et d’autre part par la compréhension fine des nanomatériaux issues du recyclage.
  • Comprendre et modéliser les liens entre les cinétiques trans-échelles et les comportements structuraux et rhéologiques de systèmes auto-assemblables synthétiques amphiphiles (micelles, vésicules, polymères associatives) et biologiques (caillot sanguin humain). Maîtriser les modifications des propriétés d’usage apportées par la mise en oeuvre et les modifications des blocs élémentaires associatifs. Elaborer de nouveaux outils de simulation propres à l’analyse trans-échelles des systèmes abordés dans cette thématique. Pour cela, une approche intégrant les relations entre les échelles et associant les modèles théoriques aux techniques numériques sera développée.

1 - Rhéologie et Prédiction pour nanomatériaux Polymères
Frédéric Bossard, Nadia El Kissi, Yahya Rharbi, Komla Ako

Elaborer des matériaux polymères nanostructurés, performants, les mettre en forme dans le respect de leurs propriétés fonctionnelles et de leurs propriétés d’usage, comprendre leurs propriétés à l’échelle nanométrique et prédire les comportements en écoulement connaissant leurs caractéristiques structurales à l’échelle moléculaire : autant de domaines devenus cruciaux pour accompagner l’évolution rapide des technologies avancées. On les envisagera dans le cadre de la stratégie globale que nous avons élaborée : une approche résolument multi-échelle et pluridisciplinaire utilisant les outils de la rhéologie.

  • Rhéophysique à l’échelle nanométrique des nanomatériaux
    Les nanocomposites, les nanoblends issus de recyclage, les revêtements aqueux ainsi que les nanostructures polymères sur substrats pour les circuits nanoélectroniques sont des classes de matériaux où le polymère est confiné dans des domaines de tailles nanométriques avec une surface de contact importante. Il est donc évident que les propriétés macroscopiques de ces matériaux doivent être évaluées en prenant en compte l’effet du nanoconfinement du polymère. La compréhension fine et complète des effets de l’environnement et de la géométrie du confinement sur les propriétés rhéophysiques des polymères telles que la transition vitreuse (Tg) ou la dynamique, sera particulièrement déterminante. La difficulté réside dans le développement de nouvelles méthodes non-intrusives pour caractériser les propriétés à l’échelle nanométrique, difficulté que nous avons pu surmonter dans un certain nombre de cas. L’objectif à terme est d’étudier les propriétés nanorhéologiques des polymères nanoconfinés et leur impact sur divers procédés d’élaboration : (1) dans des nanoparticules pour les applications de revêtements respectueux de l’environnement en vue d’élaborer des revêtements sans (COV), 2) dans des nanoparticules dans les nanoblends issus du recyclage et 3) dans des particules individuelles nanostructurées sur substrat en vue de maîtriser l’élaboration et la stabilité des circuits nanoélectroniques.

  • Méthodes innovants de mise en forme et valorisation des ressources naturelles
    L’élaboration et la mise en forme de polymères fonctionnels nanocomposites sont des enjeux majeurs en vue de l’utilisation à grande échelle de ces matériaux hautes performances. Les applications concernent notamment le domaine des énergies renouvelables : les séparateurs polymères dans les membranes pour piles à combustible ou batteries au lithium gagneraient en performance mécanique voir en conductivité, s’ils étaient chargés de façon pertinente.

Avec le souci de l’impact environnemental de ces matériaux, les nanocharges que nous privilégions sont des polysaccharides cellulosiques. Leur incorporation au séparateur polymère, et plus généralement, la rhéologie des polymères nanocomposites, en liaison avec les structures susceptibles de se développer au repos et sous écoulement, et des diverses propriétés des nanorenforts sera développée. Une attention particulière sera apportée à l’analyse des interactions polymère/charge d’une part, charge/charge d’autre part, et à leur impact sur la mise en forme de ces matériaux, et sur les propriétés finales et d’usage.

Outre la valorisation de polysaccharides cellulosiques, nous proposons également d’élaborer des nano-fibres de bio-polymères par le biais d’une mise en forme innovante à l’échelle moléculaire, dite électrospinning ou filage sous champ électrique intense. C’est une thématique nouvelle, qui vise à comprendre et à maîtriser les paramètres qui contrôlent ce procédé afin d’obtenir de nouveaux nanomatériaux à haute performance.

2 - Rhéologie des systèmes auto-assemblables
Denis Roux, François Caton, Frédéric Bossard, Frédéric Pignon, Yahya Rharbi

De nombreux systèmes amphiphiles nanostructurés tensioactifs et polymères associatifs, réseau de particules colloïdales, biopolymères etc ont la particularité de pouvoir s’assembler à l’équilibre thermodynamique ou sous écoulement, pour former des structures diverses de l’échelle nanoscopique à l’échelle macroscopique. Les domaines d’application de ses systèmes sont vastes : détergent, cosmétique, pharmaceutique, agroalimentaire, bio-médical …Exploiter ces matériaux dans les procédés, caractériser et prédire leur mode d’assemblage, leurs comportements rhéologiques et leurs caractéristiques structurales ainsi que leurs propriétés dynamiques à l’échelle nanométrique, font partie des axes de la stratégie globale pour étudier deux classe de systèmes autoassemblables : les tensioactifs/polymères associatifs et les polymères issus du vivant.

  • Systèmes auto-assemblable amphiphiles synthétiques
    Les tensioactifs et les polymères associatifs s’auto-assemblent dans l’eau pour former des micelles ou des vésicules de taille nanométrique. Les propriétés rhéologiques de ces systèmes sont abusivement interprétées à l’échelle moléculaire. En effet les propriétés rhéologiques de ces systèmes sont contrôlées par la dynamique d’association et de dissociation de ces micelles mais aussi par la nature de leur organisation aux différentes échelles. La première partie du projet vise à établir les lois de comportement de la dynamique multi-échelles des tensioactifs et des polymères associatifs. Ceci sera atteint à travers la description des liens entre la dynamique micellaire mesurée par les techniques de fluorescence et le comportement rhéologique, couplée aux mesures aux échelles mésoscopiques (biréfringence, pince optique). La deuxième partie du projet, vise à exploiter les structures auto-assemblées comme gabarit en vue d’élaborer des matériaux innovants nanostructurés fonctionnels. La capacité d’introduire des molécules ou groupes de molécules au sein des interstices de dimension nanométrique est un défi lorsque le système est soumis à des sollicitations mécaniques propres à perturber les interactions gabarit/molécules introduites. L’objectif du projet est d’utiliser la rhéologie multi-échelles pour à la fois mesurer et mettre en forme ces nanomatériaux fonctionnels.

  • Biopolymères fibreux : le caillot sanguin
    Parmi les systèmes auto-assemblables, les matériaux issus du vivant ont un intérêt sociétal majeur que ce soit dans le cadre du développement de nouveaux nanomatériaux respectueux de l’environnement ou par leur intérêt bio-médical. Le gel de fibrine -dont l’assemblage mène à la formation du caillot sanguin- est de ce point de vue particulièrement important. Par exemple pour la thrombose (pathologies de la coagulation) bien que très fréquente l’origine bio-physico-chimique, et structurale est encore mal comprise. Ce manque réside bien sûr dans la complexité des interactions mais aussi dans le caractère intrinsèquement multi-échelles du processus (protofibrilles de 7 nm agrégées en fibres fortement hydratées de 100 nm organisées suivant un réseau fractal de pore 10 µm). Le cœur du projet consiste donc à caractériser le processus d’assemblage, pare la mise en œuvre d’une méthodologie rhéologie trans-échelle en fonction de l’environnement de la réaction (sollicitations mécaniques, T°, force ionique, pH, …). La confrontation de plusieurs techniques physiques et mécaniques permettra de caractériser et de modéliser la cinétique d’assemblage de la fibrine à chaque échelle pertinente, et les liens entre ces échelles. Deux thèses viennent de démarrer sur cette thématique au Laboratoire de Rhéologie et Procédés et au CHU de Grenoble sur des parties complémentaires de ce projet.


Laboratoire Rhéologie et Procédés - 363 rue de la Chimie- Bâtiment B - Domaine Universitaire - BP 53 - 38041 Grenoble cedex 9 - (33) 4 56 52 01 96