Utilisation de semi-fluoroalcanes amphiphiles pour des approches de soft-templating en milieu non-aqueux – vers la synthèse de SiC à porosité contrôlée – FANTA-SiC

Une approche dite de «soft-templating« est utilisée afin de contrôler la structure du SiC. Cette approche utilise des molécules amphiphiles de type fluoroalcanes, capables de s'auto-agréger dans une solution de précurseurs moléculaires du SiC. L'élimination des agrégats de fluoroalcanes permet l'existence de pores dans le matériau final. Le coeur de ce projet réside donc dans la compréhension des mécanismes d'autoassociation des fluoroalcanes dans le milieu constitué par les précurseurs silylés.

Des molécules silylées destinées à servir de précurseur pour le SiC ont été synthétisées : il s'agit de trisilacyclohexane (TSCH), molécules respectant la stoechiométrie du SiC.
Des mélanges de cyclohexane, molécule simulante du TSCH, et de quelques semifluoroalcanes ont été réalisés et étudiés par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS).
De premiers diagrammes de phases de ces mélanges ont pu être réalisés en SAXS.

Des études structurales fondées sur la technique SAXS en présence de TSCH vont débuter. L'identification de domaines de compositions compatibles avec l'existence d'une organisation à l'échelle mésoscopique permettra de passer à la polymérisation du TSCH autour des agrégats de semifluoroalcanes, puis à l'élimination de ces dernières avant la céramisation du matériau en vue d'obtenir le SiC.

Actuellement, le projet n'a pas donné lieu à la publication d'articles ou de brevet.

Ce projet de recherches fondamentales vise à étudier les mécanismes de structuration en milieu totalement anoxique et aprotique. Grâce à l’établissement de diagrammes de phases ternaires impliquant des alcanes silylés, des alcanes perfluorés (PFA) et des copolymères diblocs de type alcane semi-fluorée (SFA), nous visons à proposer une nouvelle approche fondée sur le moulage mou (« soft-templating ») pour l’élaboration du carbure de silicium (SiC). Cette approche permettra de contrôler la porosité contrôlée à l'échelle mésoscopique, et ouvre des perspectives pour la fabrication de monolithes.
En effet, il est à l’heure actuelle très difficile de réaliser des monolithes de SiC pur (sans oxyde), pour lesquels sont attendues des propriétés mécaniques et thermodynamiques exceptionnelles associées à une forte surface spécifique, et qui présentent donc un intérêt majeur pour l’industrie (notamment en catalyse hétérogène). Grâce aux progrès récents effectués conjointement dans i) la synthèse de molécules alcanes silylées de stoechiométrie Si:C (1:1), ii) le contrôle de leur polymérisation et iii) la physico-chimie des molécules amphiphiles fluorées, il devient possible d’envisager un mode de synthèse du SiC inédit, qui s’articule autour de la structuration des molécules organosilylées, précurseurs du SiC, par des molécules amphiphiles de type SFA en présence de molécules de PFA. L’organisation moléculaire des précurseurs du SiC peut être contrôlée à l’échelle mésoscopique en affinant les proportions des espèces fluorées et la température. Dans ces mésophases, les molécules sont pré-organisées autour d’un moule mou constitué par les molécules de SFA et de PFA. La polymérisation in situ des précurseurs du SiC permet de conserver leur organisation après élimination des moules fluorés. Un traitement thermique ultérieur sous atmosphère contrôlée finalise la céramique de SiC à mésoporosité contrôlée.
Ce projet associe donc des études fondamentales visant à la compréhension des processus de structuration à l’échelle moléculaire de molécules amphiphiles fluorées en milieu totalement anhydre, aprotique et anoxique, et des enjeux industriels très forts représentés par la production de matériaux en SiC dont la forme pourra être préalablement moulée, et qui présentent une porosité contrôlée. L’approche de type bottom-up adoptée dans ce projet de recherche part de la synthèse des molécules organosilylées et des molécules fluorées et s’étend jusqu’à la production de la céramique. L’accent sera particulièrement mis sur la détermination des diagrammes de phases ternaires {alcanes silylées / PFA / SFA } encore mal connus, au moyen des techniques de diffusion des rayons X.
En évolution par rapport aux activités de l’ICSM dont les axes principaux sont dévolus à la chimie de séparation, cette proposition transversale rassemble des chercheurs en chimie organique, en physico-chimie et en chimie des matériaux. En ce sens, ce projet s’accorde parfaitement aux objectifs fédératifs poursuivis dans l’institut.