SURFACES & INTERFACES
Ce thème de recherche est développé par des membres du laboratoire attaché à l'unité UMR7142 :Laboratoire Systèmes Interfaciaux à l’ Echelle Nanométrique
Surface d'oxydes et réactivité
Les usages industriels des oxydes (charge minérale dans les
polymères, catalyse, céramiques, traitement des eaux)
sont en grande partie liés à leurs propriétés
sorptives et réactives de surface. Or, expression même
de cette réactivité, la surface des oxydes, cristallins
ou amorphes, est loin d'être inerte du point de vue de la dissolution
ou de la reconstruction. Ce sont ces phénomènes d'altération
de la surface lors des prétraitements, conditionnements, ou utilisations
des oxydes que nous nous attachons à comprendre et à décrire.
Pour ce faire, nous développons des méthodes originales
demesure RMN en collaborations avec des laboratoires universitaires
ou industriels.
Poudres et nanopoudres & charges et composites
L'obtention de matériaux
nouveaux ayant des propriétés adaptées à des
besoins spécifiques retient notre attention depuis plusieurs
années.
A ce titre les silices à
structure et porosité mieux contrôlées demeure un domaine
d'application pour l'industrie des pneumatiques. Des collaborations
industrielles avec Rhodia et d'autres producteurs de silices nous ont permis
de contribuer à une meilleure connaissance des propriétés
nécessaires à développer pour ce genre de composite.
Le cas des céramiques,
plus particulièrement de celles ayant des propriétés
de fluage élevée à haute température,
nous a conduit à nous intéresserà la structure
des nanopoudres à base de silicium, de carbone et d'azote. Ces poudres
ont été mises en oeuvre afin d'obtenir des céramiques
de haute densité, car l'incorporation aux interfaces de micro-particules
permet d'augmenter la densification lors du frittage. De plus il nous est
apparu que l'incorporation au sein même des nanopoudres d'éléments
de frittage telsque l'alumine et/ou l'oxyde d'yttrium permettait d'améliorer
les résultats. Enfin des composites ont été fabriqués
en utilisant uniquement des poudres nanométriques.
Nanoparticules métalliques ou oxydes
Les études de nanoparticules
s'orientent dans deux directions.
Métaux supportés àpropriétés catalytiques
(collaboration Paris VI - LURE). L'EXAFS est la technique la plus appropriée
pour décrire la morphologie de petites particules monométalliques
Pt, Pd, Au et bimétalliques Pt-Pd et Au-Pd, intéressantes
pour la catalyse. Nous suivons in situ la réduction ou l'autoréduction
des particules. L'extension de ces études à des nanoparticules
magnétiques est envisagée.
Petites particules d'oxyhydroxydes de fer (collaboration CEA). L'argile (en
contact avec l'acierdes conteneurs de stockage de déchets nucléaires)
joue le rôlede barrière extérieure en particulier
vis à vis des éléments lourds, grâce à
ses bonnes propriétés mécaniques et de rétention
chimique. A l'aide de la spectroscopie Mössbauer, nous suivons
les quantités relatives de métal, de Fe2+
et de Fe3+, l'apparition d'oxyhydroxydes defer ou d'autres
phases au sein de l'argile. Les gels d'oxydes peuvent emporter en solution
des radio nucléides. Par la spectroscopie EXAFS, nous déterminons
la coordination des radio nucléi des retenus sur les gels de
ferrihydrite et de silice, pour rapprocher ces résultatsdes études
faites sur la mobilité de telles espèces (gelsde fer et
de silice) en milieu géologique.
Biomatériaux
L'utilisation
des biocéramiques phosphocalciques (massives ou sous forme de ciment
injectable) comme matériauxde comblement osseux exige une parfaite
connaissance de leurs propriétés physico-chimiques (structure,
porosité, état de la surface,tenue mécanique; etc.)
Par ailleurs les mécanismes conduisant à leur biorésorption
sont encore mal connus. L'étudedes interfaces biocéramiques/protéines
que nous envisageons devrait fortement contribuer à la compréhension
de ces mécanismes. En utilisant ces matériaux comme modèle,
nous cherchons à comprendre les modifications structurales et/ou chimiques
induites dans le minéral osseux par certaines pathologies (osthéoporose,
fluorose,maladie de Paget, etc.). Ces objectifs sont poursuivis en s'appuyant
principalement sur la RMN Haute Résolution dans les Solides (
1H,13C, 19F, 31
La mécanique des micro-contacts
A une échelle macroscopique,
la rugosité des surfaces complique l'analyse des mesures d'adhésion
et de frottement. A l'échelle de la pointe d'un microscope de force
(AFM), les situations sont géométriquement plus simples à
décrire : il n'est pas nécessaire de faire appel à des
moyennes sur un grand nombre de micro-contacts pour rendre compte des données
expérimentales.
Les études menées
ontdeux aspects. L'un, plutôt fondamental, concerne la compréhension
des phénomènes d'adhésion (et en particulier de lacinétique
du développement de l'aire de contact) et de frottement(statique,transition
vers le glissement et glissement). Le second porte sur la mesure des propriétés
mécaniques locales des surfaces (pour décrire les propriétés
de matériaux hétérogènes).
Polymères aux interfaces
Les polymères aux interfaces
apparaissent dans un grand nombre d'applications pratiques. Pour expliquer
leurs propriétés, nous avons utilisé la Résonance
Paramagnétique Electronique de marqueurs radicalaires fixés aux
chaînes macromoléculaires. Le signal donne des informations
caractéristiques de deux types d'environnements aux voisinage de la
surface solide:- les boucles et les queues mobiles en solution; les trains
gênés au voisinage de la surface.
La méthode générale
a été utilisée avec succès dans un grand nombre
de situations expérimentales. Elle a d'abord été validée
en testant l'influence des différents paramètres physico-chimiques
qui ont une importance certaine dans les conformations des chaînes
comme la température, le taux de recouvrement, la masse moléculaire
et la qualité du solvant. Elle a ensuite été étendue
à des systèmes plus complexes dans le but d'obtenir des informations
sur le comportement microscopiquedes chaînes lorsqu'elles sont intégrées
dans un dispositif contenant des contraintes supplémentaires,ou bien
plus proches des applications (solvants, cristaux liquides, surfactants,renforcement
de caoutchoucs par des charges, biopolymères).
Image inversée de l'empreinte
d'une pointe AFM pyramidale dans un polymère de styrène-butadiène.
Une indentation a été réalisée sous l'action des
seules forces d'adhésion. L' empreinte disparaît lentement en
suivant les variations de la fonction de complaisance du matériau.
L'expérience renseigne sur les propriétés mécaniques
et d'adhésion du polymère.
Spectre d'Hétéro-Corrélation
(HetCor) MAS 31P{1H} enRMN2-D obtenue sur la croûte
d'un ciment brushite stoechiométrique injectable dans l'os. Il met
en évidence une phase "hydroxyapatite" par corrélation des
31P à 2.8 ppm et des 1H à 0.2 ppm (OH). Les
mesures directes ne permettent pas d'affirmer la présence d'une telle
phase dans le ciment.
