– NANOPOLYS

"La cellulose, la chitine et l'amidon sont des homopolymères naturels présents dans de nombreux tissus et qui contiennent des domaines cristallins bien définis de taille nanométrique. La cellulose et la chitine jouent essentiellement un rôle de renfort mécanique alors que l'amidon sert d'élément de stockage compact des carbohydrates. Grâce à un squelette moléculaire rigide et à un vaste réseau de liaisons hydrogène, ces cristaux sont thermiquement stables jusqu'à 400 °C et résistants aux solvants. Ils présentent donc un fort potentiel en tant que composants de matériaux à haute performance. - L'utilisation de microcristaux de polysaccharides pour la fabrication de matériaux composites a été initiée au CERMAV dans les années 90. L'idée de base a consisté à les introduire comme charges de renfort pour améliorer considérablement les propriétés mécaniques de matrices molles, en particulier au-delà de la température de transition vitreuse. Une autre stratégie développée à l'Université de Kyoto au Japon est d'imprégner des films minces constituées de microfibrilles de cellulose compactées d'une résine de même indice de réfraction. Les films ainsi créés sont de bonne tenue mécanique, transparent et thermiquement stable, et donc très intéressant pour des applications comme matériau support d'écrans flexibles. - Parallèlement, ces dernières années, différentes méthodes ont été développées, en particulier par les chercheurs du CERMAV, pour orienter des cristallites de cellulose ou de chitine grâce à l'application de contraintes mécaniques et à l'utilisation de champs magnétiques ou électriques. Il est ainsi possible de fabriquer différents types de matériaux à l'organisation contrôlée. - Un composite ne peut remplir pleinement sa fonction mécanique que si les charges appliquées au matériau peuvent être transmises de la matrice au renfort. Ce transfert de charge est conditionné par l'interface entre la matrice et le renfort, par la morphologie des particules de renfort leurs interactions. Or, ces mécanismes et le rôle des différents paramètres associés sont mal connus. - Dans ce contexte, nous proposons d'utiliser les microcristaux de polysaccharides comme sonde pour suivre le transfert de charge dans des matériaux nanocomposites. Dans ce but, trois thématiques interdépendantes sont proposées : - - 1. La détermination précise du tenseur de raideur des microcristaux de polysaccharides et de leur réponse spectrale à une sollicitation mécanique. - Nous partirons de systèmes modèles simples en utilisant des échantillons orientés uniaxiallement composés de monocristaux de section relativement élevée (~20 nm). La diffraction des rayons X sous sollicitation mécanique sur ces systèmes fournira les éléments du tenseur de raideur. La combinaison de mesures de spectroscopies vibrationnelles et de tests mécaniques donnera accés aux déformations moléculaires liées aux tensions locales. Des mesures mécaniques directes sur les particules individuelles seront effectuées par AFM et les modules élastiques seront également évalués par diffusion inélastique des rayons X et des neutrons. - - 2. La préparation de nanocomposites aux architectures et interfaces contrôlées. - Des nanocomposites avec différentes interfaces et organisations seront préparés pour étudier les mécanismes de tranfert de charge matrice-particule et particule-particule. Cet objectif se divise en 3 sous-étapes i) le désassemblage des produits naturels macroscopiques en leurs briques cristallines élémentaires, ii) la modification de surface des nanocristaux de polysaccharides pour contrôler leurs interactions et iii) le réassemblage des nano-objets en matériau macroscopique à architecture contrôlée. Les échantillons seront caractérisées à chaque étape par des techniques complémentaires comme l'AFM et la diffusion des neutrons et des rayons X. - - 3. L'étude du transfert de charge dans les nanocomposites et dans des échantillons biologiques. - Grâce aux informations obtenues sur les cristallites ind...