Synthèse de nanocristaux organiques fluorescents en milieu fluide supercritique: une approche numérique et expérimentale complémentaire – SUPERFON

Nous avons pu montrer que cette technologie microfluidique supercritique, grâce à un mélange très efficace et des conditions opératoires très bien contrôlées, permettait de mettre en forme des particules de taille très petite et largement inférieure à 100 nm là où les approches conventionnelles, typiquement la précipitation par antisolvant liquide, échouaient. Les FONs dont l’intensité de fluorescence augmente à l’état agrégé (AIE) ont été choisies dans le but d’analyser in situ par microscopie confocale les champs de précipitation de particules dans le système µSAS, pour pouvoir comparer ces résultats à la simulation. La visualisation in situ de la précipitation des nanoparticules fluorescentes en milieux pressurisé est particulièrement originale et nous a permis d’avancer significativement dans la compréhension des mécanismes de précipitation dans nos milieux. La comparaison simulation/expérience était très bonne et a permis de confirmer les hypothèses des mécanismes de nucléation primaire homogène et de croissance par diffusion considérés dans la simulation. Nous avons proposé dans ce projet l’utilisation d’un supercalculateur pétaflopique pour aborder le problème ouvert du changement d'échelle pour les procédés continus de synthèse des matériaux. Les simulations ont montré qu'il est possible d'augmenter le volume du réacteur continu - de l'échelle de laboratoire/académique à l'échelle de production/industrielle - tout en maintenant une excellente qualité de mélange.

La microfluidique supercritique est une alternative particulièrement intéressante au procédé conventionnel par antisolvant liquide car elle permet d’atteindre des temps de mélange extrêmement bas conduisant à la précipitation de nanoparticules de très petites tailles.
L’utilisation de molécules fluorescentes AIE (émettant uniquement à l’état solide) combinée à la microfluidique permet d’étudier in situ la formation de nanoparticules. Cette approche ouvre une nouvelle voie pour la compréhension des mécanismes de nucléation.
Nous avons montré que la simulation intensive est un véritable outil de design du procédé pour aller où l’expérience ne peut pas aller.

L’approche associant molécules fluorescentes AIE et la microfluidique, permettant d’étudier in situ la formation de nanoparticules, ouvre une voie très prometteuse pour la compréhension des mécanismes de nucléation.

Ce projet multidisciplinaire, permettant de toucher des publics variés, a mené à la publication de douze articles dans des revues internationales de très haut niveau dans le domaine de la physique, de la chimie, du génie des procédés et du numérique. Par ailleurs, l’ensemble des développements numériques sont disponibles dans le code « open source » Notus développé au laboratoire I2M.

Une des principales limitations du procédé « vert » anti-solvant supercritique (SAS), opération clé dans la technologie des poudres, concerne la faible compréhension du couplage des phénomènes impliqués contrôlant directement les caractéristiques des matériaux obtenus. L’objectif du projet SUPERFON est de réaliser un criblage et une intensification du procédé en étudiant la précipitation de nanomatériaux fluorescents organiques (FONs) grâce à des approches complémentaires utilisant des outils d’investigation avancés expérimentaux (microfluidique et caractérisation in situ) et numériques (calcul massivement parallèle).
Une description complète du procédé SAS nécessite de prendre en compte le transfert de matière lié au mélange des espèces dans le réacteur, l'hydrodynamique liée à l'injection de la solution, les équilibres de phase liés à l'évolution de la solubilité du matériau en fonction de la composition du mélange CO2/solvant et, enfin, les phénomènes de nucléation et croissance du matériau. Le premier objectif concerne la compréhension fine des processus impliqués dans l’opération et la simulation complète du procédé. Celle-ci passe par la confrontation des résultats de simulation avec ceux obtenus en microfluidique supercritique pour lesquelles les conditions sont parfaitement contrôlées. La détermination des paramètres et donc l’amélioration des modèles de nucléation/croissance sera un résultat particulièrement attendu. Par ailleurs, du fait de leurs propriétés fluorescentes, les FONs sont d’excellents matériaux modèles pour comprendre le procédé SAS. En effet, les composés actifs AIE ont la rare propriété d'émettre uniquement à l'état solide, ce qui permet un « monitoring » en temps réel de la formation des nanoparticules. De plus, l'utilisation de technologies supercritiques devrait permettre de réduire et de contrôler la taille des matériaux produits. Une autre originalité importante du projet concerne l’étape de « scale-up ». Pour cela, nous envisageons d’utiliser l’outil numérique comme véritable outil de design du procédé pour des échelles allant jusqu’au litre. L’ambition du projet est alors d’utiliser les informations obtenues sur réacteur microfluidique et de proposer des simulations numériques avec la même finesse de résolution que précédemment pour des volumes beaucoup plus importants. Ceci passe par l’utilisation d’un code de calcul massivement parallèle afin d'étudier deux options de changement d'échelle: l'utilisation en parallèle de puces microfluidiques et le réacteur semi-continu classique.