Surfaces intelligentes aux propriétés thermo-réversibles – INTHERMO

La chimie thermoréversible de Diels-Alder a été choisie pour fabriquer des interfaces intelligentes aux propriétés thermoréversibles. Cette chimie est particulièrement intéressante pour atteindre de telles propriétés car elle met en œuvre des liaisons covalentes dynamiques sous certaines conditions et est également classée parmi les réactions de chimie click, définies comme étant efficaces et sélectives. La fabrication de ces surfaces intelligentes a été assistée par polymérisation plasma, procédé vert de dépôt de film mince de polymère fonctionnel sur des substrats de natures très variées, incluant des matériaux thermosensibles. Ce procédé de fonctionnalisation de surface peut donc être considéré comme un procédé ‘universel’. Pour obtenir ce revêtement réactif à une réaction de Diels-Alder, il était envisagé d’élaborer un film mince de polymère plasma, puis d’y greffer des groupements réactifs de type Diels-Alder. Le choix de ces groupements réactifs, qu’il s’agisse de molécules commerciales ou qu’ils soient issus d’une synthèse originale effectuée dans le cadre de ce projet, était motivé par les deux principaux objectifs du projet, à savoir la compréhension de la réaction de Diels-Alder interfaciale et la fabrication de prototypes permettant d’illustrer le concept d’adhésion forte thermoréversible.

Une méthodologie thermodynamique a été développée pour caractériser finement les réactions thermoréversibles sur des films minces déposés par polymérisation plasma. La réversibilité de cette réaction interfaciale a été observée dans des conditions douces, fournissant ainsi une preuve de concept d’adhésion forte réversible fiable. Ce projet a également permis de construire un réseau international de chercheurs et étudiants travaillant sur l’adhésion forte thermoréversible, qui ont régulièrement échangé, se sont rencontrés lors d’un workshop, ont publié ensemble et ont aussi répondu à un appel à projets pour poursuivre leur collaboration sur cette thématique.

Outre la méthodologie permettant de comprendre et maitriser la réaction interfaciale de DA, ce projet a apporté la preuve de concept d’une adhésion forte réversible, notamment entre deux matériaux macroscopiques, apportée grâce des films minces nanométriques. La dimension de ces films minces et l’universalité du procédé de dépôt font de ces systèmes une solution singulière et tout à fait innovante (par rapport à l’état de l’art et aux solutions commerciales existantes) pour atteindre une adhésion forte réversible thermiquement.
Le développement de ce concept industriellement nécessite toutefois encore une augmentation de la force d’adhésion. Ceci requiert de poursuivre le travail de compréhension des mécanismes d’adhésion à cette échelle nanométrique et notamment d’optimiser les contributions chimiques mais aussi physiques des films minces dans le processus d’adhésion.

Ce projet a conduit à la publication de 3 articles dans des journaux internationaux (Advanced Functional Materials, Langmuir, The Journal of Physical Chemistry, Part C) et 3 publications supplémentaires seront soumises dans les mois à venir. 15 communications (3 sous forme de poster) ont été réalisées, incluant 7 communications orales dans des conférences internationales, 1 invitée et 1 lauréate du prix de la meilleure communication orale. Des discussions ont été initiées avec la SATT Connectus pour le dépôt de 2 brevets qui n’ont finalement pas pu aboutir.

La recherche dans le domaine des matériaux stimulables est très active mais les applications industrielles sont encore peu nombreuses. Ce constat est lié au fait que les solutions actuelles proposent généralement de formuler l’ensemble du matériau afin de lui conférer des propriétés intelligentes alors que de nombreux phénomènes n’ont lieu qu’en surface. Cette stratégie n’est donc pas viable économiquement car seul un très faible pourcentage du volume du matériau est exploité pour ses propriétés intelligentes or ces dernières augmentent considérablement le prix du produit. La fabrication de revêtements intelligents, qui apporteraient ces propriétés intelligentes en surface tout en préservant les propriétés massives du matériau et donc l’essentiel de son coût, permettrait donc de stimuler le renouveau industriel dans ce secteur. Deux défis apparaissent : i) développer une chimie dynamique de surface efficace, contrôlée par un stimulus thermique, et ii) l’adapter à un procédé de modification de surface «universel».

Dans ce contexte, le projet INTHERMO a pour objectif le design d’interfaces intelligentes aux propriétés thermo-réversibles selon un procédé de fabrication indépendant du substrat utilisé. Il a été choisi de travailler sur des surfaces qui réagiront de manière covalente selon une chimie thermo-réversible de type Diels-Alder (DA). En effet, cette chimie présente un caractère dynamique et réversible dans certaines conditions et fait partie des chimies de type click. Elle est donc efficace et sélective. Par ailleurs, l’élaboration de ces surfaces sera basée sur la polymérisation plasma, procédé permettant la synthèse de films minces de polymères fonctionnels sur de nombreux substrats (de natures et de formes variées). Les revêtements polymères synthétisés par ce procédé serviront au greffage des composés mettant en jeu la réaction de DA.

Le projet INTHERMO développe le concept de liaison covalente réversible en surface grâce i) à une étude thermodynamique de la chimie de DA interfaciale afin de comprendre l’influence des propriétés du revêtement plasma sur la réactivité de surface et ii) au développement de nouveaux couples de DA interfaciale, réagissant dans des conditions douces (températures de DA directe et rétro modérées, réactions dans l’eau). Les résultats de ces travaux permettront de fabriquer des échantillons illustrant le concept original de chimie de DA interfaciale dans le cadre de deux applications industrielles précises. Tout d’abord, ce concept pourra engendrer une adhésion covalente réversible de matériaux dans le but de remplacer facilement une pièce endommagée dans des systèmes complexes (par exemple des matériaux composites, des systèmes microélectroniques). L’assemblage covalent des matériaux se fera à faible température (par réaction directe de DA) et leur séparation à température plus élevée (par réaction de rétro-DA). Ce procédé limitera la dégradation des matériaux, car les températures mises en jeu restent relativement faibles, et aura un impact significatif sur la recyclabilité des assemblages complexes. La seconde application visée consiste à immobiliser/libérer des (bio)molécules de manière contrôlée thermiquement. Cette stratégie pourra être utilisée pour la séparation de (bio)molécules présentes dans un mélange complexe et permettra de régénérer efficacement le substrat fonctionnel lors de la libération de la molécule d’intérêt.

Ce projet de 36 mois, coordonné par une jeune chercheuse de l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M), vise à développer une combinaison unique alliant une chimie interfaciale de type DA ayant lieu selon des conditions douces et un procédé de fabrication de revêtements fonctionnels, par polymérisation plasma, applicable à tout type de matériau substrat. La réussite de ce projet permettra d’envisager des applications industrielles concrètes basées sur le concept de surfaces intelligentes.