JCJC SIMI 8 - JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

Matériaux Cristaux Liquides Magnétiques – MaCriLiMa

Matériaux Magnéto-stimulables à base de cristaux liquides

Polymères et Elastomères Cristaux Liquides dopés avec nanoparticules magnétiques pour l’obtention de composites qui changent de forme en présence d’un champ magnétique.

Matériaux polymères hybrides comme muscles artificiels

La nature est pleine d'exemples de systèmes qui peuvent répondre à des stimuli externes, physiques ou chimiques. Des systèmes synthétiques comme des matériaux hybrides organique-inorganique, qui répondent à un champ magnétique, miment ce comportement et de ce fait ils sont de plus en plus étudiés. Des propriétés, telles que le changement de forme par application d’un champ magnétique, sont visées. <br />Les élastomères cristaux liquides, c.a.d. des réseaux polymères portant des groupes mésogènes, sont capables de changements de forme très importants et réversibles par effet d’orientation/désorientation des groupes mésomorphes. <br />Dans ce projet, nous nous proposons de combiner les deux approches précédentes. L'objectif final est donc de fabriquer et de caractériser un matériau composite capable de répondre de manière réversible à plusieurs stimuli externes, tels que le changement de température, une contrainte mécanique ou le champ magnétique. Nous visons à caractériser les interactions entre les particules et les différents éléments de la matrice afin d'exploiter toutes les potentialités d’un tel matériau.

Le choix des ingrédients du composite est très important pour cibler les propriétés souhaitées. Le polymère sélectionné est un polysiloxane qui a une température de transition vitreuse très basse et qui est donc très flexible à température ambiante ; de plus il est facile à réticuler. Les nanoparticules choisies sont des nanobâtonnets de cobalt car elles combinent une forte anisotropie et une forte aimantation.
Pour obtenir l’élastomère final souhaité nous dispersons les nanoparticules magnétiques dans le polymère cristal liquide avant la réticulation. Tout d’abord nous avons optimisé des paramètres tels que le taux de particules ou la présence éventuelle de groupes fonctionnels sur les composites polymères. Après avoir évalué les propriétés mésomorphes et magnétiques des composites polymères, nous avons étudié l’effet des nanoparticules sur l’ordre cristal liquide par des techniques de diffusion de rayons X sous champ magnétique. Nous avons ensuite synthétisé et caractérisé des composites élastomères. La nature des phases mésomorphes et les températures de transition de phase ont été évaluées par des techniques d’analyse thermique et par microscopie optique; les caractéristiques magnétiques des élastomères ont été évaluées par des cycles d’hystérésis.

Dans les composites polymères contenant des groupes en interaction avec les nanobâtonnets de Co, les groupes cristal liquide s’orientent plus facilement sous champ magnétique que dans les polymères seuls. Les différences sont remarquables à champs magnétiques faibles. Nous avons mis en évidence des forts champs coercitifs observés à basse température dans les composites polymères.
Ces polymères ont ensuite été réticulés. Un composite élastomère où les nanobâtonnets de cobalt sont alignés selon le champ magnétique a été synthétisé. Ce composite possède des propriétés magnétiques hautement anisotropes et permet une bonne avancé dans le domaine du stockage magnétique.

Les élastomères cristaux liquides possèdent une réponse mécanique anisotrope et stimulable. Les stimuli les plus utilisés sont la lumière, la température et le champ électrique. Le champ magnétique n’est pas à l’heure actuelle utilisé à cause des valeurs trop élevées nécessaire pour induire la déformation du réseau polymère. Ce qui est dommageable si l’on considère les potentialités d’action rapide et sans fils du champ magnétique.
Dans des matériaux dopés avec des nanoparticules magnétiques, le seuil pour produire la déformation du polymère pourrait être considérablement réduit grâce aux effets coopératifs entre les particules et les groupes cristal liquide. Ce type de matériau pourrait être employé comme actuateur, par exemple dans des dispositifs microfluidiques ou médicaux.

Riou, O. et al. Polymers 2012, 4, 448-462.
Dans cet article deux méthodes différentes pour préparer les composites polymères sont comparées.
Riou, O. et al. J. Phys. Chem. B 2014, 118, 3218-3225.
Cet article porte sur l’analyse structurale, par diffusion des rayons X, des composites cristaux liquides magnétiques et en particulier l’influence du dopage par les particules de Cobalt sur l’orientation des mésogènes soumis à un champ magnétique. Ces nouveaux matériaux combinent de façon originale propriétés orientationnelles et propriétés ferromagnétiques à température ambiante.

Les matériaux hybrides organique-inorganique, qui répondent à un champ magnétique, sont de plus en plus étudiés comme alternative aux plus anciens réseaux magnétiques rigides, généralement caractérisés par une faible flexibilité et de faibles changements de forme.
À l'heure actuelle, la principale méthode pour obtenir de tels matériaux consiste à mélanger une matrice organique déformable et un composant inorganique, sensible aux champs externes (le plus souvent des particules de fer de taille micro- ou nano- métrique).
Des nouvelles propriétés, telles que le changement de forme (par chauffage induit électromagnétiquement sur des polyuréthanes ou polyacrylates à mémoire de forme dopés avec des particules magnétiques) et un module élastique ajustable (le cas de réseaux de polysiloxanes dopés et réticulés en présence d'un champ magnétique), sont visées par exemple.
Lors de l'élaboration de ces composites, il est nécessaire d’éviter la séparation de phase entre les deux composants incompatibles. Ceci est généralement obtenu par enrobage des nanoparticules inorganiques avec des ligands organiques, mais aucune attention n’est dédiée à l’obtention d’interactions plus intimes. L'utilisation d'un matériau élastomère, contenant des groupes qui interagissent avec les nanoparticules et peuvent répondre à un champ magnétique, pourrait produire des effets plus forts en terme de changement de forme et propriétés élastiques anisotropes.
Les groupes cristaux liquides possèdent ces caractéristiques. Les études sur les cristaux liquides à faible masse molaire dopés avec des particules magnétiques ont déjà démontré la possibilité d'effets coopératifs, qui se traduisent par des plus faibles valeurs de champs magnétiques nécessaires à aligner les mésogènes.
Ces effets, observés dans le cas des petites molécules, pourraient être exploités dans les matériaux élastomères cristaux liquides. Le couplage des avantages inhérents des nanoparticules magnétiques et des groupes cristaux liquides pourrait produire des matériaux aux propriétés magnétiques et comportement orientationnel intéressants, tout en apportant les propriétés mécaniques, qui sont essentielles pour des applications telles que les actionneurs.
Cette approche combine les avantages des élastomères cristaux liquides (bonnes propriétés élastiques, possibilité de changements de forme conséquents et réversibles, caractère anisotrope dans un intervalle de température) à l'action ‘sans fil’ d'un champ magnétique.
La recherche sur ce sujet n’est qu'à ses débuts et encore immature: trois publications sur les polymères et les élastomères cristaux liquides dopés sont sorties au cours des trois dernières années.
L'une d’entre elles est issue du travail de la coordonnatrice du projet au cours de la dernière année: il a été démontré (i) la faisabilité d'un nouveau matériau polymère cristal liquide aux propriétés magnétiques très prometteuses, et que (ii) la réorientation des nanoparticules dans une matrice mésomorphe est améliorée après application d'un champ magnétique.
La structure microscopique du matériau n'est pas bien caractérisée et les interactions entre la matrice (les groupes mésogènes et les groupes en interaction, la chaîne polymère) et les nanoparticules ne sont pas encore comprises. En outre, le rôle des groupes cristaux liquides dans l'organisation des nanoparticules magnétiques et la possibilité en résultant de renforcer et moduler le changement de forme ne sont pas été étudiés jusqu’à présent.
MaCriLiMa est alors un projet multidisciplinaire dont l'accomplissement a besoin d’expertises complémentaires dans (a) la synthèse et la caractérisation des systèmes organisés, polymères et élastomères cristaux liquides (membres des IMRCP, Toulouse), (b) la synthèse et la caractérisation des nanoparticules magnétiques (membres du LPCNO, Toulouse) ; (c) l'étude de l'évolution de l'organisation microscopique de l'échantillon sous champ magnétique (participants IMRCP, Toulouse).

Coordinateur du projet

Madame Barbara LONETTI (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES) – lonetti@chimie.ups-tlse.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IMRCP-UMR5623 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES

Aide de l'ANR 220 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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