Conception d'Isolations Thermiques: nOuveaux sYstèmes ENveloppants – CITOYEN

Nous nous appuyons sur des savoir-faire de synthèse de nanomatériaux oxydes cristallins. Les approches de chimie douce explorées comprennent des voies sol-gel (de type Pechini) et des méthodes de précipitation et coprécipitation notamment dans des solvants alcools de haut point d’ébullition.
La caractérisation structurale des composés se fera essentiellement en couplant microscopie électronique à transmission et diffraction des rayons X.
La caractérisation chimique par ICP et EDX.
La caractérisation des propriétés optiques par spectroscopie UV-visible-IR en transmission sur films minces ou suspensions et en réflexion diffuse sur lits de poudre.

-Optimisation de l’absorption infrarouge d’oxydes de zinc dopés par un cation trivalent A3+ (Ga3+, In3+) : absorption infrarouge couplée à une non-absorption du visible très satisfaisante. Interprétation théorique complète des comportements physico-chimiques observés.

-Synthèse et caractérisation de matériaux cœur@écorce originaux ZnO@MgF2 : amélioration significative de la transparence dans le visible par effet d’écorce entre les ZnO et ZnO@MgF2 lorsque ceux-ci sont déposés en films minces. Obtention de matériaux cœur écorce ZnO@SiO2 et ZnO@ZnF2.

-Obtention de suspensions ethanol - cristallites individuelles ZnO-dopé (non-agglomérées) d’un diamètre de 35-40 nm (un des objectif pour atteindre une transparence dans le visible pleinement satisfaisante est d’obtenir des suspensions de cristallites individuelles de moins de 20 nm de diamètre.)

-Mise en action de la synthèse et caractérisation de particules de ZnF2 dopé (tâche prévue en N°1, initialement).
-Application de films minces de ZnO dopés sur lame de verre et test disolation thermique de ces films.
-Publications ou brevets sur l’ensemble des résultats et recherche de partenaires industriels.

3 publications soumises dans des revues internationales
1. “Encapsulation of ZnO particles by metal fluorides: towards an application as transparent insulating coatings for windows”; Isabelle Trenque et al. soumise à Optical Materials (Elsevier Ed.)
2. “Discussion on the structural anisotropy of würtzite-type compounds.” Isabelle Trenque et al. soumise à Solid State Science (Elsevier Ed.)
3. “Establishment of the correlation law between electron density, infrared absorption and doping concentration in A3+-doped ZnO”; Isabelle Trenque et al. soumise à Material Research Bulletin (Elsevier Ed.)
1 Conférénece orale : workshop : NanoTCMs, Grenoble (14 et 15 Juin 2011) ; 2 posters

Les fenêtres sont avant tout les parois de lumière des bâtiments. Cependant, leur perméabilité lumineuse s’accompagne d’un effet double de porosité à la chaleur. Elles sont responsables à la fois de l’effet de serre (surchauffe) en été et de la plus grande partie des pertes de chaleur en hiver. En fait, elles constituent bel et bien le talon d’Achille de l’isolation thermique de nos bâtiments.
Le projet CITOYEN a pour objectif le développement d’une nouvelle génération de couches transparentes / isolantes pour vitrage. Il rentre pleinement dans le cadre d’un des objectifs majeurs fixé par le Grenelle de l’environnement.
La solution proposée par CITOYEN est d’utiliser des semi-conducteurs à large gap (tels les oxydes transparents conducteurs : TCOs), mais de manière innovante. Actuellement, les TCOs sont loin d’être appliqués à grande échelle sur nos surfaces vitrées. Pourtant contrairement aux films métalliques plus couramment utilisés, ils permettent une véritable sélectivité entre abortion/réflexion des longueurs d’onde du domaine du visible et de l'Infrarouge. Mais, pour être suffisamment transparents, ces oxydes doivent être déposés sous forme de films très minces et sans défaut cristallin. Or les techniques de dépôt sont trop onéreuses. La solution proposée ici et de les utiliser plus simplement sous forme de poudre dispersée dans une matrice polymère de manière à obtenir une laque/peinture/film adhésif transparent. Afin que la transparence de tels systèmes soit satisfaisante, il faut absolument ajuster les indices de réfraction des particules dispersées et des matrices polymères utilisées. Pour ce faire, nous proposons de développer, en parallèle, deux innovations majeures :
(i) réussir à synthétiser des nouveaux oxydes transparents semi-conducteurs à large gap d’indice de réfraction très faible. Et, au vu du cahier des charges, seuls des fluorures inorganiques peuvent alors être envisagés. Cette solution est la plus attractive mais aussi la plus risquée, aucun rapport scientifique ne démontrant aujourd’hui la possibilité d’obtenir des fluorures métalliques de conductivité suffisante pour obtenir une absorption/réflexion Infrarouge importante.
(ii) réussir à adapter l’indice de réfraction des TCOs existant en les encapsulant dans des écorces d’indice de réfraction intermédiaire entre eux et le milieu dispersant. Il s’agit de transférer le principe du film antireflet à chaque particule dispersée. Il peut être imaginé des nano-architectures présentant des multi-écorces ou mêmes des écorces possédant un indice de réfraction graduel diminuant du centre vers la surface des particules cœur@écorces élaborées. Ainsi, les dispersions obtenues pourront présenter une transparence augmentée de manière significative par rapport à de simples dispersions de nanoparticules de TCOs (actuellement ZnO ou In2O3 dopés).
Pour réussir dans l’accomplissement de ces deux tâches, les membres de CITOYEN mutualiseront leurs connaissances/savoir-faire autour de la synthèse de fluorures métalliques dopés, de la synthèse de particules cœur@écorce, de la dispersion de nano-particules dans des matrices organiques, ceci en utilisant les techniques de caractérisation les plus optimales (optiques, microscopiques, de surfaces…). Les travaux antérieurs des membres de CITOYEN montrent qu'ils ont vis-à-vis des deux problématiques abordées les compétences de leur ambition.
L’innovation proposée est donc simple: ouvrir une nouvelle fenêtre de possibilité autour des couches additives au verre permettant le renforcement de leur isolation thermique tout en conservant leur bonne transparence. Cette innovation est certes simple, à facette unique ; elle nous apparaît consistante en-soi.