Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie

L’objectif de ce projet est d'étudier le confinement d'un peptide canal ionique biologique, la gramicidine (gA), dans des nanotubes de carbone (NTC) et de mesurer l'impact de ce confinement sur les propriétés de transport ionique d'une membrane et d'un dispositif nanofluidique réalisés à partir de NCT. L'intérêt est double. Premièrement, il cherche à prouver pour la première fois de façon expérimentale qu’il est possible, si les dimensions du NTC hôte sont adaptées, que la conformation hélicoïdale de la gA qui lui confère une perméabilité et une sélectivité ioniques uniques dans les conditions biologiques peut être conservée lors du confinement. Deuxièmement, il vise à démontrer que ce système artificiel bio-inspiré peut être utile dans les domaines i) de la nanofiltration (e.g. membranes de dessalement d’eau ou de production d'énergie bleue) et ii) de l’ionotronique (e.g. détection de molécules uniques ou neurones artificiels). Le confinement de gA sera étudié en utilisant des NTC de diamètre adapté et suivi par DRX, diffusion des Neutrons, spectroscopie µ-Raman, MEB, MET, XPS et Sorption d'eau. Nous utiliserons des gA naturelles et synthétiques, qui seront soit marquées au fluor pour une détection plus facile, soit agrafées pour bloquer leur conformation hélicoïdale. Ces expériences seront accompagnées d'études numériques de modélisation moléculaire et d'analyse spectrale. En parallèle, nous imprégnerons avec nos gA des membranes faites de NTC alignés verticalement et mesurerons leurs propriétés ioniques en utilisant divers électrolytes. L'impact de la concentration ionique et du pH sera pris en compte. Ces mêmes électrolytes seront utilisés pour mesurer l'impact du confinement de la gA sur les propriétés ioniques de dispositifs nanofluidiques faits d'un CNT unique. Ce projet ambitieux s'appuie sur des partenaires dont l'expertise les domaines requis est reconnue et qui ont déjà démontré la faisabilité de ce projet par des études préliminaires.

A l'interface entre chimie, électronique moléculaire/0D et spintronique, G-ISLAND cible le transport de spin dans les nano-graphènes. Au-delà des mémoires magnétiques MRAM, la spintronique est envisagée comme un candidat majeur pour l'après-CMOS. Dans ce contexte, G-ISLAND vise à déverrouiller l'exploration des nano-îlots quantiques de graphène (GQD) comme nouvelle plateforme matériau de spin. Des fonctionnalités uniques sont attendues pour le graphène à l'échelle nano, avec de longs temps de vie de spins menant potentiellement à leur forte accumulation cohérente. Cependant, à ce jour, en dépit de leur énorme potentiel, l'électronique à électron unique et la spintronique avec GQD restent des visions criblées de défis majeurs : le transport de spin n'a jamais été rapporté dans des GQD isolés. C'est là que G-ISLAND se positionne. En s'écartant des approches latérales de la littérature, nous nous appuierons sur une géométrie originale de contact tunnel vertical permettant enfin de sonder le transport pour une large gamme de GQD (taille et configuration) accessible par synthèse chimique, combinée au support fondamental du STM/STS/Spin-Polarized-STM ainsi qu'à des caractérisations optiques avancées des GQD spécialement développés. La synergie proposée permettra de s’attaquer pour la première fois au défi de longue date consistant à développer une compréhension fondamentale de l'intégration des GQD dans des dispositifs électroniques et spintroniques fonctionnels afin d'en explorer les propriétés. Il sera alors possible d’exploiter les fonctionnalités spécifiques aux GQD, incluant les régimes de transport quantique et d’électrons uniques. Une nouvelle génération de nanodispositifs spintroniques sera développée, ciblant l'injection, le transport et l'accumulation de spins dans les GQD, atteignant les régimes de durée de vie géante de spins (> 100ns).

Le projet ELEPHANT vise à répondre aux questions scientifiques suivantes : À partir de quelle taille les molécules commencent-elles à se comporter comme des solides ? Existe-t-il une nouvelle physique aux échelles intermédiaires ou la transition est-elle abrupte ? Ces questions sont au cœur de débats intenses depuis des décennies. À notre connaissance, aucune réponse convaincante n'a encore été apportée, car la possibilité d'une étude systématique était rendue impossible à cause du manque de systèmes moléculaires adaptés. La réponse à ces questions est importante pour le développement d'un certain nombre d'applications. En particulier, la possibilité de placer plusieurs excitations dans le même objet et de comprendre leur interaction est cruciale pour les propriétés de transport, la récupération des porteurs de charge ou les valeurs de gain optique. Pour répondre à ces questions, ELEPHANT se concentre sur la synthèse et l'étude des propriétés optiques de grands nanoparticules de graphène (objets considérés comme 0D) dont les dimensions seront modifiées en continu avec une précision à l'échelle atomique pour atteindre des nanorubans de graphène 1D.

L'activité enzymatique est au cœur de la fonction métabolique des cellules, la régulation des nombreuses voies métaboliques étant essentielle pour maintenir l'homéostasie cellulaire. Une description détaillée des flux métaboliques dans la cellule est nécessaire pour mieux comprendre les conséquences de leurs altérations. C’est le but des études de fluxomique dont des modèles numériques des voies métaboliques, visent par exemple à prédire les effets de certains médicaments. Il est nécessaire pour cela de caractériser la cinétique enzymatique dans des conditions physiologiques. La résonance magnétique nucléaire permet l'étude résolue en temps des réactions enzymatiques et permet ainsi une analyse cinétique complète par la détection simultanée des substrats et produits. Cependant, son manque intrinsèque de sensibilité limite la résolution temporellede ces études, ce qui nécessite souvent de ralentir considérablement les réactions afin de caractériser leur cinétique. De ce point de vue, les expériences de DNP avec dissolution (dDNP), en permettant d’amplifier le signal RMN jusqu'à 4 ordres de grandeur, se révélent très prometteuses pour les études en temps réel de réactions enzymatiques rapides dans des conditions pseudo-physiologiques. Un des objectifs de ce projet est de faire de la dDNP une technique analytique robuste et efficace pour suivre les réactions enzymatiques s’effectuant en quelques dizaines de secondes et d’en tirer pleinement parti en levant des obstacles techniques, instrumentaux et méthodologiques. Les études nécessiteront l'optimisation des échantillons, une compréhension et un contrôle fins de la dissolution et du mélange, le développement de nouvelles expériences d'imagerie et de spectroscopie, et l’utilisation de modèles de cinétique adéquats. Un autre objectif de ce projet sera de mettre à profit ces différents développements pour étudier des voies métaboliques fondamentales, la voie des pentoses phosphates et la voie de la glutamine.

La spectroscopie et l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) ont montré une sensibilité exceptionnelle aux environnements locaux et à la dynamique des éléments électrochimiquement pertinents. L’architecture Jelly Roll reste la conception la plus économe en énergie utilisée dans les cellules de batterie, mais un défi important pour la RMN réside dans la pénétration limitée des champs de radiofréquence (RF) à travers les boîtiers conducteurs et les collecteurs de courant. Dans ce projet, nous développons une approche expérimentale, appelée RMN plug&play, qui permet la transmission directe des ondes RF à travers les bornes de la batterie, permettant une excitation et une détection efficaces des signaux provenant de matériaux électrochimiques actifs. Un adaptateur RF spécialisé transforme la batterie en une sonde RMN accordable sur une large gamme de fréquences de Larmor. Cet adaptateur offre des informations détaillées sur les environnements chimiques des éléments électrochimiquement actifs et introduit de nouvelles mesures pour évaluer avec précision les états de charge (SoC) et de santé (SoH). Des tests préliminaires ont révélé des transformations électrochimiques entre les formes intercalées et métalliques de porteurs de charge tels que le lithium et le sodium, ainsi que des effets de susceptibilité magnétique globale dans les électrodes des cellules de poche commerciales. Le magnétisme des composants d'une cellule est un indicateur sensible de la chimie des électrodes, SoC/H, de la distribution du courant et des défauts. L'IRM à balayage de surface est une approche innovante pour la cartographie sensible des modèles de champ magnétique à la surface externe de la cellule. Une série d'appareils combinant des capacités de RMN plug&play et d'IRM de surface seront déployés pour étudier la dynamique de croissance des dendrites, les transitions de phase magnétique et le transport des ions dans les cellules à l'aide de spectromètres RMN à faible et haut champ.

Remplacer les solvants organiques, dans les batteries Li-ion, par de l’eau pourrait améliorer la sécurité des batteries. Malheureusement, l’eau souffre d’une fenêtre de stabilité électrochimique étroite (1.23V), rendant le système peut compétitif. Récemment, une approche, se basant sur la saturation de l’eau par du sel a permis de drastiquement accroitre la fenêtre de stabilité au-delà de 3V. Cependant, de nombreux défis restent à relever, en particulier les réactions de type réaction évolution d’hydrogène (HER) et réaction d’évolution de l’oxygène (OER). Ces réactions conduisent à des évolutions de pH local, qui sont à cette heure très difficile à évaluer. Aquabatt propose de répondre à ces défis en proposant une approche unique et interdisciplinaire combinant à la fois de la chimie, de l’électrochimie, de la science des matériaux et de la physique. Diverses solutions d’électrolytes (sel de LiTFSI et de LiTDI) seront étudiées par RMN afin de comprendre la relation entre stabilité électrochimique, concentration en sel, viscosité etc... En parallèle, une approche innovante telle que le microscope électrochimique à balayage (SECM) en mode operando sera mise en place afin de comprendre les évolutions du pH en fonction du potentiel du cyclage et de la concentration en sel. Des électrodes modèles avec des matériaux actifs seront utilisés pour cette étude. Ces mêmes électrodes modèles seront utilisées pour comprendre les dégradations interfaciales telles que l’interphase électrolyte solide (SEI) par mesure operando de type spectroscopie photoélectron des rayons X aux grands instruments (Soleil). Les phénomènes de transport (mobilité du Li et des protons) ainsi que les évolutions de gaz engendrées par les réactions HER et OER seront suivies operando par des techniques d’imagerie neutronique et de spectroscopie de masse afin de comprendre les limitations des systèmes aqueux. In fine, Aquabatt permettra d’élucider les principaux problèmes des batteries aqueuses.

Le LAPA mutualise entre l’IRAMAT et le NIMBE un plateau technique de plusieurs instruments analytiques de recherche ayant également vocation à accueillir des personnels d’autres laboratoires du périmètre francilien Le MEB est un équipement clé dans ce plateau analytique. Outre ses caractéristiques intrinsèques pour l’imagerie électronique à relativement fort grossissement, il est équipé d’un système EDX couplé qui permet la détection automatisée de particules ou de zones spécifiques (par contraste chimique ou d’électrons rétrodiffusés). Cette caractéristique permet le dosage en très grande série (jusqu’à plusieurs milliers par objets) des micro inclusions piégées dans les métaux du patrimoine ou l’étude ultrarapide et statistique d’hétérogénéités dans les différentes parties de ce système hétérogène que constitue le métaux anciens (en incluant leurs produits de corrosion). Afin de maintenir opérationnelles, les chaines opératoires des méthodologies de détermination de la provenance et de datation des métaux ferreux, mais également d’offrir un appareil optimisé pour l’analyse des métaux et de leurs produits d’altération est envisagée l’acquisition d’un nouvel équipement : un MEB haute résolution à émission de champ (FEG), avec chambre large et un système EDS haute performance (détecteur à large fenêtre) permettant l’analyse rapide et automatisée multi champs avec détection et analyse des particules.

Le projet UPNYL vise à donner une nouvelle vie aux déchets nylons. Ultra-résistants et imperméables, les nylons sont des polymères dérivés du pétrole, omniprésents dans des secteurs variés comme l’automobile ou le textile. Faute de solutions de recyclage adaptées, ces matériaux en fin de vie sont aujourd’hui majoritairement enfouis ou incinérés. UPNYL propose une alternative durable : grâce à un procédé chimique innovant développé en laboratoire, les déchets nylons sont transformés en matériaux à haute valeur ajoutée, impossibles à obtenir par les méthodes de synthèse classiques. Les matériaux obtenus offrent des perspectives d’intégration variées dans de nombreux secteurs industriels et positionne UPNYL au coeur de l’économie circulaire des polymères.

MONICA est un projet multidisciplinaire axé sur la synthèse innovante, environnementale et évolutive de nanomatériaux d'(oxy)nitrures ou de carbures de molybdène dopés préparés par le procédé de pyrolyse Laser. La réalisation de cette nouvelle approche s'appuie sur l'expertise complémentaire de trois partenaires académiques (NIMBE, LINK et ISCR) et d'un partenaire industriel (Nanomakers). L'objectif final de cette étude est d'évaluer le potentiel d'une synthèse en une étape par pyrolyse Laser pour la production industrielle de carbures ou (oxy)nitrures de molybdène dopés, notés M:MoyXz/GC (M : Ni, Co, Cu, Fe ; X = C, N). Pour les cibles environnementales et industrielles, deux stratégies de pyrolyse Laser différentes seront testées : (i) une utilisant un solvant aqueux et des sources commerciales solubles de molybdène et (ii) une autre un procédé entièrement solide. Les deux stratégies utiliseront des précurseurs respectueux de l’environnement à faible coût pour la pyrolyse Laser. De plus, les nanomatériaux seront caractérisés finement et leurs performances électrocatalytiques pour les réactions de craquage de l'eau (production d'hydrogène et d'oxygène) seront soigneusement étudiées dans le but d'appliquer les matériaux les plus prometteurs comme anode et cathode dans un électrolyseur comme preuve de concept. Par rapport à d’autres travaux, nous pensons que notre méthode est plus simple, plus efficace et plus rapide pour préparer des électrocatalyseurs nanocomposites. Ce projet s'appuie sur les résultats préliminaires du consortium sur les nanocomposites de carbure de molybdène synthétisés par pyrolyse Laser.

L'industrie agroalimentaire est confrontée au défi majeur de garantir une hygiène optimale des surfaces tout en améliorant l'efficacité de ses processus. Le projet OREGANO propose ainsi de créer des surfaces métalliques innovantes avec un double effet antimicrobien,?assuré d’une part par le greffage covalent de dérivés d’arylbenzothiazoles aux propriétés biocides, et d’autre part par une microstructuration de surface empêchant l’installation de biofilms bactériens. La synergie entre ces deux effets est stratégique pour lutter contre le développement de biofilms bactériens à un stade précoce. Ce traitement de surface est par ailleurs permanent, ne doit pas entraîner de relargage de composés actifs et ne nécessite que peu de molécules. Les nouvelles surfaces ainsi mises au point permettront de limiter les risques de contamination des aliments au cours de leur production industrielle, et donc de maintenir la sécurité sanitaire, tout en réduisant la fréquence et la durée des cycles de nettoyage/désinfection et par conséquent de gagner en productivité et de lutter contre le développement d’agents pathogènes résistants. Le projet OREGANO s’articule en quatre parties. Les arylbenzothiazoles seront synthétisés par des voies chimiques écocompatibles. Un soin particulier sera apporté à l’évaluation de leurs propriétés antimicrobiennes, ainsi qu’à l’étude de leur toxicité, par des approches in vitro et in silico, sans expérimentation animale. Le greffage covalent sur de l’acier inoxydable sera réalisé par électrochimie en veillant à contrôler la microstructuration dont le rôle est crucial pour générer les propriétés anti-bioadhésives. Enfin, la stabilité du greffage au cours d’un vieillissement accéléré, ainsi que l’efficacité biocide et anti-bioadhésion de ces surfaces originales seront démontrées pour garantir la sécurité sanitaire des surfaces modifiées, leur efficacité antimicrobienne et leur résistance dans le temps.

Le projet MIDI vise à étudier des hétéro-structures de van der Waals constituées de nano-graphènes empilés sur ou entre des matériaux 2D (h-BN, dichalcogénures de métaux de transition) qui fournissent des interfaces parfaites à l'échelle atomique pour améliorer les propriétés optiques d'émetteurs quantiques des nano-carbones. Le projet vise à la fois l'amélioration des propriétés de cohérence d'émetteurs uniques intégrés dans des matériaux à large bande interdite (hBN) ou la création de nouveaux états excités comme les excitons inter-couches dans le cas d'un schéma d'alignement de bandes de type II avec des encapsulants semi-conducteurs (TMDs). L'originalité du MIDI par rapport aux hétéro-structures 2D largement étudiées réside dans la flexibilité supplémentaire fournie par le confinement quantique latéral réglable grâce à la maitrise de la taille et de la forme des nano-carbones obtenus par synthèse chimique. MIDI s'appuie sur des résultats préliminaires conséquents tant dans nos équipes que dans la littérature. MIDI vise à faire progresser la synthèse bottom up du nanographène par chimie organique, permettant un contrôle atomiquement précis des structures. Des approches d'évaporation ou de spin coating seront mises oeuvre pour fabriquer les empilements van der Waals contenant le nanographène, soit déposé à la surface, soit intégré dans l'empilement. Les propriétés électroniques seront étudiées par spectroscopie en champ proche dans un microscope à effet tunnel cryogénique pour inspecter l'électro/photoluminescence avec une résolution inférieure au nm. Le troisième objectif du MIDI est de sonder et d'améliorer les propriétés optiques de l'hétérostructure à dimensionnalité mixte à l'aide de techniques de micro-photoluminescence cryogéniques au niveau d'un nano-objet unique, en mettant l'accent sur les signatures d'une cohérence quantique améliorée, d'effets à N corps et d'effets collectifs lorsque plusieurs excitations sont créées dans le même nano-objet.

La résonance magnétique nucléaire à l'état solide (ssRMN) in situ est un outil efficace pour sonder la structure chimique et la dynamique lors du fonctionnement de la batterie. Cependant, les larges signaux obtenus en condition statique ne fournissent pas d’informations suffisantes sur les mécanismes en jeu. Une technique ex situ de rotation des échantillons, à l’angle magique (MAS), est nécessaire pour fournir des données à haute résolution permettant d'interpréter les résultats in situ. Cependant, la technique MAS ex situ nécessite l’arrêt du cyclage et le démontage de la cellule, empêchant les analyses séquentielles et ne représentant pas toujours fidèlement les processus (électro)chimiques sous-jacents. Malheureusement, il est difficile d’avoir une cellule de batterie en rotation à l'intérieur d'un aimant en raison de la présence de métaux. Récemment, une cellule de batterie en rotation a été explorée en bobinant entre eux les éléments de la cellule, y compris des fils métalliques. Cependant, l’assemblage est peu pratique et l’échauffement de l’échantillon inévitable. SPINBATT propose un développement expérimental pour exploiter la ssRMN in situ avec MAS. Le projet intégrera trois éléments pour réaliser une percée dans la spectroscopie ssRMN pour les batteries : 1. Développer des cellules en rotation sans métal. 2. Effectuer in situ la ssRMN avec MAS. 3. Mettre en œuvre une spectroscopie localisée offrant une caractérisation résolue spatialement. La possibilité de réaliser une spectroscopie localisée avec MAS et surtout in situ est inédite. Cela améliorera les informations sur les mécanismes de réaction, la mobilité des ions et leur distribution dans les batteries en offrant un contrôle spatial in situ de tous les composants, y compris les interphases et les interfaces. L'extension des résolutions spatiales de techniques telles que la ssRMN est cruciale pour caractériser le comportement des batteries et améliorer leurs performances.