Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Le projet NEMO, mené en collaboration entre l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay (ICMMO) et l’Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA), a pour objectif de développer une plateforme innovante de décontamination ciblée pour les agents chimiques de guerre, notamment les agents neurotoxiques organophosphorés des séries G, V et A, ainsi que l’ypérite (gaz moutarde). Pour y parvenir, le projet repose sur la conception de bio-nanoréacteurs hybrides intégrant des complexes organo-métalliques dans des cages protéiques, combinant deux mécanismes complémentaires : une oxydation sélective du soufre pour neutraliser les agents de la série V et l’ypérite, et une hydrolyse spécifique des agents de la série G et A afin d’assurer leur élimination rapide et efficace. Ces nano-réacteurs offriront un environnement confiné qui favorise la reconnaissance et la transformation des toxiques tout en protégeant les catalyseurs de toute dégradation prématurée, garantissant ainsi une solution stable, efficace, facile à utiliser et économique. Adaptée aux interventions sur les surfaces sensibles (peau, textiles, équipement sensible) et biocompatible avec l’environnement, cette approche répond à un besoin urgent de nouvelles stratégies de décontamination en proposant une alternative plus écologique, polyvalente et performante aux méthodes actuelles, avec des applications prometteuses dans les domaines militaire et civil

Le développement de ligands pour stabiliser les complexes de métaux de transition de basse coordinence, qui sont des espèces-clés en catalyse biologique et moléculaire, a toujours suscité l'intérêt de la communauté scientifique. Une des plateformes les plus utilisés est le bêta-di(cét)iminate, en raison de son accès relativement facile, de sa grande modularité électronique et stérique et de sa capacité élevée à stabiliser les métaux dans de multiples états d'oxydation. Outre les avantages en termes d'environnement et de coût, les métaux de transition 3d tardifs ont des propriétés intrinsèques qui peuvent être bénéfiques en catalyse durable en ouvrant de nouvelles voies de réactivité à un ou deux électrons. Le riche paysage d’états rédox et de spin et de géométries de coordination associés à ces complexes a en effet le potentiel d'accéder à des réactivités qui sont en grande partie inaccessibles aux complexes 4d/5d. De plus, l'association de ces métaux à des ligands à champ faible ou intermédiaire tels que le ligand di(cét)iminate, ouvre la porte à une réactivité à deux états qui peut conduire à une accélération de la vitesse de la réaction ou à de la réactivité, mais aussi à une stéréosélectivité nouvelle et unique. Cette proposition vise à exploiter la polyvalence de la plateforme di(cét)iminate et les propriétés inhérentes des complexes de fer de basse coordinence en catalyse durable pour relever les principaux défis associés aux réactions de borylation C(sp3)-H à distance catalysées par les métaux de transition 3d.

Le projet PHOENIX se concentre sur le développement de matériaux amorphes innovants, fonctionnalisés par laser femtoseconde pour des environnements dédiés aux hautes températures (HT), dépassant souvent les 800-1000°C. Il répond à des besoins dans des secteurs technologiques tels que les turboréacteurs, la fabrication additive par laser et les réacteurs nucléaires de nouvelle génération. Un objectif clé est d'améliorer les capteurs optiques en verres d'oxydes, qui offrent des avantages importants par rapport aux thermocouples classiques : conception compacte, haute sensibilité, résistance à la corrosion et capacité de multiplexage. Pour produire des dispositifs photoniques performants, tels que des réseaux de Bragg et des guides d'onde, l’écriture directe par laser femtoseconde (FLDW) est idéale et permet de modifier le verre de façon précise, permanente et flexible. Cependant, les nanostructures poreuses actuellement inscrites par FLDW pour les applications HT évoluent et s’effacent après quelques heures à 1100°C dans la silice pure, entrainant une dégradation de la réponse optique et une perte de performance. Face à ce problème, le projet PHOENIX s'appuie sur une percée fondamentale et technologique récente qui consiste à précipiter des nanocristaux réfractaires tels que du ZrO2 ou de la Mullite par laser. Cette méthode permet de créer des modifications de l’indice de réfraction stables jusqu'à 1600°C. Ce nouveau régime, baptisé Type Ic, repose sur la migration chimique et la cristallisation au sein du volume focal, et permet ainsi une stabilité thermique bien supérieure aux structures poreuses actuelles. La maîtrise de ce régime est au cœur du projet PHOENIX, avec comme objectifs principaux i) de développer de nouveaux verres adaptés aux HT, ii) de précipiter des nanocristaux via FLDW, et iii) d’améliorer les performances optiques et thermiques (fort contraste d’indice, faibles pertes, fonctionnement stable entre 1000 et 1500°C).

La sécrétion biliaire facilite la digestion des graisses alimentaires et l’élimination des substances toxiques endogènes et exogènes. Cette fonction essentielle est assurée par le foie et est initiée au niveau de la membrane canaliculaire des hépatocytes, impliquant des protéines transmembranaires comme le transporteur ABCB4 qui permet la sécrétion de phospholipides dans la bile. Des variations génétiques de ce transporteur sont associées à plusieurs maladies cholestatiques rares dont la plus sévère est la cholestase intrahépatique familiale progressive de type 3 (PFIC3). En absence de traitement efficace pour les formes graves de ces maladies, la seule option pour les patients reste le plus souvent la transplantation hépatique. Face à ce besoin médical non satisfait, nous avons déjà identifié plusieurs familles de molécules capables de restaurer le trafic intracellulaire de variants d’ABCB4 anormalement retenus dans le cytoplasme des hépatocytes. Malgré l’efficacité importante de ces molécules à restaurer le trafic intracellulaire des variants déficients, ces molécules présentaient également un fort caractère inhibiteur de l’activité de sécrétion de phospholipides du transporteur, constituant alors un obstacle à leur utilisation en clinique. Sur la base de ces travaux, nous désirons optimiser chimiquement les molécules identifiés précédemment pour accroitre leur ratio correction/inhibition et en faire de meilleurs candidats médicaments. De nouvelles molécules appartenant à différentes familles chimiques seront tout d’abord synthétisées. Puis leur efficacité à restaurer le ciblage canaliculaire de variants déficients d’ABCB4 sera évaluée in vitro, en utilisant des modèles cellulaires exprimant ces variants, reproduisant ainsi la situation pathologique. En parallèle, des analyses structurales de dynamique moléculaire et de docking in silico permettront de comprendre l’interaction potentielle de ces petites molécules avec ABCB4 et ainsi de caractériser leurs relations structure-activité (SAR en anglais, pour Structure-Activity Relationships). Ces approches de synthèse chimique, chimie computationnelle et analyses in vitro se feront de manière itérative dans le but d’identifier les molécules présentant les meilleures caractéristiques, et ainsi de potentiels candidats médicaments. Enfin, la (ou les) meilleure(s) molécule(s) sera/seront testée(s) dans un modèle animal (souris) qui mime la situation pathologique, modèle en cours de développement au sein de nos laboratoires. Nos résultats seront ensuite valorisés par le biais de publications scientifiques, de présentations lors de conférences et auprès du grand public et, le cas échéant, par le dépôt d’un brevet (en amont de toute divulgation extérieure). Ce projet de recherche s’inscrit dans une stratégie translationnelle dite de « bedside-to-bench-to-bedside » visant à identifier des petites molécules d’intérêt thérapeutique en tant qu’alternative à la transplantation hépatique pour les patients atteints de maladies cholestatiques rares et sévères liées à des déficits du transporteur ABCB4. La réussite de ce projet collaboratif et itératif sera renforcée par l’expertise croisée des partenaires impliqués en approches in vitro et in vivo, synthèse chimique et chimie computationnelle. L'impact de cette recherche devrait être multiple, faisant progresser les connaissances scientifiques et technologiques grâce à de nouveaux outils expérimentaux et à de nouvelles molécules, tout en favorisant le développement de pharmacothérapies moins coûteuses que la transplantation hépatique. Ces développements devraient générer des avantages économiques et sociétaux significatifs, notamment en améliorant la qualité de vie des patients.

Quelle peut être la plus petite conductivité thermique d’un cristal ? Cette question revêt un intérêt fondamental et technologique. La conception de matériaux ayant une faible conductivité thermique est devenue un défi technologique crucial pour les dispositifs thermoélectriques. Le projet MELODY vise à résoudre cette question fondamentale et fournira de nouvelles directivons pour le développement de matériaux à faible conductivité thermique. Dans le cadre de ce projet, nous proposons de tirer parti du couplage des phonons avec les degrés de liberté magnétiques dans des échantillons bien choisis (oxydes magnétiques et oxydes d'entropie élevée) pour réduire la conductivité thermique. En combinant des sondes macroscopiques (chaleur spécifique, conductivité thermique) et des sondes microscopiques (diffusion inélastique des neutrons) avec des calculs théoriques de premier principe, nous visons à identifier les mécanismes qui conduisent à leur faible conductivité thermique et à les optimiser pour atteindre la conductivité thermique la plus basse possible. Le projet MELODY est constitué d'un consortium de quatre partenaires, tous des experts mondiaux dans les domaines de la synthèse chimique, du transport thermique, de la diffusion inélastique des neutrons et des calculs de premier principe. La combinaison de leur expertise ouvrira une nouvelle approche pour l'ingénierie de conducteurs thermiques à faible conductivité.

L'objectif de ce projet collaboratif, qui réunit quatre entités académiques, est de développer une plateforme hautement adaptable pour la décontamination de composés toxiques soufrés. Cela inclut des agents neurotoxiques tels que les organophosphorés de classe V, comme le VX et ses analogues russes et chinois, ainsi que l'yperite et des insecticides comme l'acephate et le malathion. Nous nous appuyons sur une oxydation sélective de l'atome de soufre, un élément clé de ces molécules. Pour réaliser cet objectif, nous nous concentrerons sur la conception de nanoréacteurs intégrant des complexes métalliques dans des cages protéiques dérivées de virus de plantes. Ce processus a pour but de créer une nouvelle catégorie de catalyseurs hybrides, spécifiquement dédiés à l'oxydation sélective. Ces nanoréacteurs allieront les propriétés catalytiques des complexes métalliques aux caractéristiques des échafaudages protéiques, offrant ainsi un environnement confiné propice à la reconnaissance précise des ligands et des substrats. En somme, ce projet scientifique vise à promouvoir un environnement plus sûr et sain.

L’objectif de ce projet est de démontrer le potentiel des matériaux à haute entropie (oxydes et chalcogénures) pour des applications en thermoélectricité. Dans le contexte environnemental et économique actuel, la demande en énergies propres et renouvelables se fait ressentir. Les modules thermoélectriques, qui permettent de convertir la chaleur en électricité (et inversement), offrent une solution prometteuse. Cependant le développement de matériaux thermoélectriques performants, non toxiques et abondants reste un défi majeur. Ce projet vise à mettre en œuvre les matériaux à haute entropie comme une nouvelle stratégie pour concevoir de nouveaux matériaux thermoélectriques. Les oxydes à haute entropie ont été proposés pour la première fois en 2015. Ils sont constitués d’au moins 5 cations répartis aléatoirement sur le sous-réseau cationique de leur structure. Depuis, ce concept a été étendu à d'autres familles de matériaux, dont les chalcogénures, mais les propriétés thermoélectriques des matériaux à haute entropie restent très peu étudiées. Pourtant, la distorsion locale et la fluctuation de masse importante induites par le désordre permettent une grande diminution de la conductivité thermique tout en ayant un impact limité sur le transport des porteurs de charge. De plus, la grande modularité de la composition chimique permet un contrôle précis du dopage par substitution par des cations aliovalents. Dans ce projet, ces nouveaux matériaux Oxydes et chalcogénures (sulfures et séléniures) à haute-entropie seront développés afin d'optimiser leurs propriétés de transport thermique et électronique. Une approche innovante de sélection et d'optimisation des matériaux, basée sur l'apprentissage par "Active Learning" et l'optimisation Bayésienne, sera mise en œuvre pour maximiser les performances thermoélectriques tout en minimisant le nombre d'expériences nécessaires.

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.

MolCal will contribute to establishing a critical mass of researchers in promising exploratory topics on caloric materials and energy conversion technologies for solid-state cooling and heating applications at near-ambient and very-low temperatures. Temperature control systems are responsible for approximately half of the EU energy consumption expenditure. This figure alone amply justifies the need to dedicate great efforts to the search for alternative refrigeration and heat pump methods. Research on caloric materials has never been as active as it is now, due to the prospect of new-generation refrigerators and heat pumps that are energy efficient and environmentally friendly, on the one hand, and the policies on low-energy consumption and global warming refrigerants, on the other. MolCal presents an approach never tried before in similar collaborative research training programmes. We will consider caloric materials that fall under the umbrella of molecule-based materials and can respond to different sources of the driving stimulus, be it magnetic, electric, and/or mechanical. Since there is no clear-cut consensus on which type of caloric material holds the most promise, this multi-front approach will be an advantage because it will permit transfer of methods already developed from the magnetocaloric subfield into the others, which are increasingly in the spotlight because of their enormous potentiality. Furthermore, MolCal will develop devices based on low-cost barocaloric materials and, due to the molecular characteristics, will progress towards challenging applications by exploring the limits of the smallest size of magnetic refrigerators. Academic and non-academic leaders, from top research institutions in Europe and outside, will expose the doctoral researchers to integrative, multidisciplinary, and multisectoral training in chemistry, materials science, physics, device development, and relevant transversal skills.

La nécessité croissante de réduire les émissions de carbone et de gérer l'intermittence de l'énergie solaire a encouragé l'exploration de la production d'hydrogène vert stockable par électrolyse alimentée par l'énergie photovoltaïque. Toutefois, l'absence de couplage thermique entre les panneaux solaires et l’électrolyseur rend cette approche inefficace. L'approche photoélectrochimique (PEC) résout ce problème associant l'absorption de la lumière et l'électrochimie dans un seul dispositif. Bien qu’un rendement de 10 % a été aient pour la conversion énergie solaire, le coût peu compétitif de l'hydrogène (LCOH) et le potentiel inexploité d’oxydation demeurent des défis pour l'adoption de cette technologie. Le Projet UpSmart vise à intégrer la production PEC d'hydrogène de manière intelligente dans la catalyse transformation de la biomasse pour générer des produits chimiques à valeur ajoutée. Grâce à l'expertise multidisciplinaire de nos équipes, nous proposons une conception sur mesure d’une hydrogénation sélective et stable en utilisant des catalyseurs à base de métaux abondants couplés à la production d’hydrogène par PEC. Ce nouveau concept intègre la production et l'utilisation de l'hydrogène dans un seul dispositif, renforçant sa compétitivité et supprimant le LCOH. L'expertise unique de l'équipe française dans la gestion de la seconde sphère de coordination des catalyseurs permettra d’améliorer les taux et la sélectivité de conversion tout en réduisant la surtension. Intégrer ce système catalytique homogène dans des photoélectrodes exige une gestion efficace de l'intermittence de l’énergie solaire et de l'utilisation des charges. L'équipe de Hong Kong excelle dans l'ingénierie des photoélectrodes semi-conductrices et la conception de dispositifs PEC autonomes sans biais. Par des évaluations itératives du cycle de vie et des aspects technico-économiques, le dispositif d'hydrogénation PEC intégré explore les voies vers une chimie solaire économiquement compétitive.

L’électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons permet de produire de l'hydrogène de haute pureté à partir de sources d'énergie renouvelable intermittente. Cependant, cette technologie reste coûteuse en raison de l'utilisation d'électrocatalyseurs à base de métaux précieux pour les réactions de production d'hydrogène (HER) et d'oxygène. Le projet vise à développer des électrocatalyseurs HER exempts de platine, métal rare et cher, et de plus sensible à divers contaminants organiques, ioniques ou métalliques présents dans l'eau d'alimentation. Ces limitations ne permettent pas d’envisager le développement industriel massif de cette technologie. Ainsi, le projet ELOPOM-H2 a pour objectif de développer et d'intégrer des électrocatalyseurs HER novateurs exempts de métaux précieux dans des dispositifs d'électrolyse PEM à l'échelle semi-pilote. Il s'appuie sur les résultats obtenus par le consortium et propose une approche moléculaire novatrice visant à atteindre des performances HER comparables à celles du Pt/C. Cette méthode repose sur le contrôle de la polymérisation des ions polyoxotungstates en présence du cluster {Mo3S4}. Les résultats préliminaires de ces polymères catalytiques inorganiques, associés à des supports carbonés, ont révélé d'excellentes performances en termes d'activité et de stabilité dans le temps pour la production d'hydrogène (TRL3). Le programme ELOPOM-H2 couvre plusieurs aspects, notamment : i) l'étude de la croissance des polymères inorganiques, en optimisant leur composition, leur densité de charge et leur dopage ; ii) l'interfaçage de ces polymères avec les matériaux carbonés ; iii) leur caractérisation à différentes échelles à l'aide de techniques avancées in-situ, telles que l’électrochimie locale, jusqu'à la fabrication d'électrodes à grande échelle et leur évaluation préindustrielle à travers des mesures de performance dans des cellules d'électrolyse PEM (TRL5).

Les réactions d'hydrogénation représentent une transformation fondamentale de la chimie de synthèse qui trouve d'importantes applications dans les premières et dernières étapes des synthèses en laboratoire et à l'échelle industrielle. Typiquement, les hydrogénations sont réalisées à l'aide de catalyseurs hétérogènes à base de métaux nobles dans une atmosphère d'hydrogène. Bien qu'efficace, l'utilisation continue de métaux nobles pose des problèmes de durabilité en raison des leurs coûts environnementaux, sociétaux et économiques. La découverte de l'activation de l'hydrogène moléculaire par les paires de Lewis frustrées (FLP) a été un point clé pour le développement d'hydrogénations sans métaux. Récemment, des efforts ont été consacrés au développement de réactifs FLP hétérogènes en tant qu'alternatives prometteuses aux métaux. Cependant, la plupart des stratégies actuelles souffrent de l'instabilité des acides de Lewis hétérogènes, ce qui complique le processus de récupération et de recyclage. Le projet HeLA-Flow vise à surmonter les inconvénients actuels des hydrogénations conventionnelles à base de métaux et de FLP en concevant des acides de Lewis hétérogènes appropriés, stables et réutilisables, ainsi qu'à assurer la transition complète des hydrogénations sans métaux vers le domaine du flux continu afin de profiter de tous les avantages. En termes plus généraux, l'objectif de ce projet est le développement, par une approche globale, de nouveaux procédés d'hydrogénation éco-compatibles, durables et facile de monter en échelle grâce à la combinaison synergique sans précédent de la réactivité FLP et de la synthèse en flux continu pour fournir des hydrogénations efficaces sans métaux.