Matériaux Nanoconfinés (EN)

Cet axe de recherche du département Matériaux Nanosciences s’intéresse aux nouvelles propriétés structurales, dynamiques et coopératives de systèmes moléculaires complexes (cristaux apériodiques, liquides multi-constituants, cristaux-liquides) induites par une forte anisotropie d’espace à l’échelle nanométrique.

nanoconfinement
  1. Nanofibres de phases colonnaires semi-conductrices.
  2. Nanostructuration de fluides multiconstituants
  3. Simulation Moléculaire et Mésoscopique
  4. Collaborations
  5. Références
Cet axe de recherche s’attache à comprendre comment le confinement à l’échelle nanométrique modifie profondément le diagramme de phase, la dynamique moléculaire, les conditions d’écoulement ou d’auto-assemblage de fluides possédant un degré de complexité pertinent pour des secteurs d’application en pleine expansion comme la nanofluidique, l’électronique moléculaire, les biotechnologies ou les nanomatériaux. Ces questions fondamentales constituent entre autres des verrous scientifiques à la manipulation annoncée pour demain de volumes infinitésimaux de fluides dans des dispositifs actifs.
S’appuyant sur des compétences acquises par l’équipe sur l’étude de liquides vitrifiables de faible poids moléculaire, nous avons précédemment élargi nos activités en direction de fluides dits « complexes », comme les cristaux-liquides et les solutions bioprotectrices. A présent, nous initions deux nouveaux projets dans le domaine de l’électronique moléculaire et de la nanostructuration de fluides multiconstituants.
Par ailleurs nous collaborons activement à des projets concernant la compréhension des mécanismes microscopiques contrôlant la nanostructuration de solutions d’électrolytes et de gaz nanoconfinées ainsi que le développement d’outils numérico-théoriques originaux permettant de mieux appréhender les processus interfaciaux.

Nanofibres de phases colonnaires semi-conductrices.

L’objectif est d’explorer les potentialités offertes par les cristaux liquides colonnaires discotiques (DCLC) nanoconfinés pour des applications futures en électronique organique. L’inclusion des cristaux liquides discotiques dans un réseau de nanopores fortement unidimensionnel favorise leur organisation colonnaire et permettra à terme la synthèse de nouvelles nanostructures actives hybrides. La stratégie d’obtention de nanofils organiques s’inspire des méthodes dites ‘template’, qui ont été développées avec succès pour la synthèse de nano-fibres polymériques, inorganiques, semi-conductrices ou métalliques. Cependant l’absence d’étude amont des effets de confinement sur les propriétés physiques des DCLC constitue le principal verrou scientifique actuel à de tels développements technologiques. Pour développer ce secteur de recherche émergent, nous coordonnons un consortium de 6 partenaires franco-allemands financé par une ANR-DFG blanche internationale (Rennes, Bordeaux, Saclay, Grenoble, Saarbrücken et Berlin).
 

Nanostructuration de fluides multiconstituants

L’équilibre entre les interactions hydrophobes et par liaisons hydrogènes est un facteur déterminant au cœur de nombreux phénomènes d’auto-organisation à l’état liquide. Il contrôle en effet l’auto-assemblage supramoléculaire d’une variété de systèmes, de solutions aqueuses simples aux protéines et fait apparaitre sous confinement des comportements radicalement différents de ceux observés en volume.
Ce projet explorera les conditions de formation de domaines nano-ségrégés dans des fluides multi-constituants aux interfaces et en milieux confinés. Ces études fondamentales permettraient ultimement le contrôle de la nanostructuration spontanée de mélanges complexes, à l’instar de ce qui se fait actuellement en microfluidique. Si tel est le cas, ce domaine pourrait ouvrir des perspectives pour la synthèse de nano-objets par des approches inspirées des techniques de chimie template. Ce projet s’appuie en particulier sur un partenariat avec l’IMN de Nantes, l’Institut Laue-Langevin, le CEA-Saclay et l’Université de Tohoku.

 

Simulation Moléculaire et Mésoscopique

A l’interface de la physique et de la chimie l’étude de fluides confinés dans des canaux de taille nanométrique est un terrain de choix pour des « expériences numériques ». Ces approches permettent d’interpréter et de prédire les grandeurs macroscopiques par une description fine des interactions moléculaires et mésoscopiques. Ainsi, nous développons des approches originales permettant de sonder la structure et la dynamique de molécules (alcool, alcane, eau, cristaux liquides, H2, CO2, …) et d’ions confinées dans des matrices poreuses (pore de silice, MOFs, polymères) ou adsorbés aux interfaces (L-V, L-L, L-S). Ce projet qui repose sur la dualité simulation-expérience nous permet de mieux appréhender la physique à la l’échelle nanométrique.
 

Collaborations

  • IMRAM (Sendai, Japon), BAM (Berlin), Université de Saarbrücken, Université de Hambourg
  • CRPP (Bordeaux), IMN (Nantes)
  • Institut Laue-Langevin, Laboratoire Léon Brillouin
  • Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (LTIM)
  • Institut de Sciences Chimiques de Rennes (CIP)
  • Institut Gerhardt, Montpellier (DAMP)

Références