Caractérisation des interfaces cisaillées à l'échelle moléculaire par réflectométrie neutronique à résolution temporelle combinée avec spectroscopie infrarouge polarisée: Des brosses de polymères aux multicouches lipidiques – Shear@Interface

Le cisaillement est un phénomène répandu dans la nature et la technologie, et peut altérer considérablement la structure, la fonction et les performances des systèmes biologiques et artificiels. Par exemple, les mouvements articulaires s'accompagnent de forces de cisaillement et de friction qui peuvent entraîner une usure des articulations et de l'arthrose. Les cellules biologiques réagissent aux contraintes mécaniques exercées par l'écoulement de liquide dans les récipients en modifiant leur morphologie et leur métabolisme, et la réduction du frottement par les lubrifiants et les revêtements de surface est importante pour réduire la consommation d'énergie et augmenter la durée de vie de presque toutes les machines comportant des pièces mobiles.
Afin de comprendre, contrôler et utiliser les effets de cisaillement, il est important d'analyser son impact sur la structure et la fonction des interfaces cisaillées à l'échelle moléculaire. À cette fin, nous combinerons la réflectométrie neutronique (NR) in situ et la spectroscopie infrarouge (IR) pour suivre les processus interfaciaux induits par le cisaillement avec une résolution temporelle jusqu'à environ 10 ms. La NR est un excellent outil pour l'étude structurelle des interfaces enterrées, permettant l'extraction de profils de densité isotopiquement sensibles aux interfaces jusqu'à la résolution atomique. Cependant, elle ne fournit pas d'informations chimiques et moléculaires, qui seront ainsi obtenues par spectroscopie IR. En utilisant l'analyse de polarisation, la spectroscopie IR fournira également un aperçu de l'orientation moléculaire des films interfaciaux cisaillés.

Les films interfaciaux sont souvent composés de différents types de molécules. Ici, le problème se pose de différencier leur comportement individuel en réponse au cisaillement, en particulier, s'ils sont chimiquement similaires (par exemple des biomolécules différentes avec un squelette ou des chaînes similaires) ou même identiques (par exemple des chaînes de polymères enchevêtrées du même type mais ancrées en surface ou libres). Un objectif majeur des études est donc de discriminer le comportement induit par le cisaillement de ces interfaces complexes en deutérant délibérément l'une des espèces impliquées. En cas de la NR, des molécules spécifiques seront mises en évidence en raison de la densité de longueur de diffusion modifiée. En spectroscopie IR, la deutération déplacera les bandes respectives vers des nombres d'ondes inférieurs permettant de discriminer entre les espèces deutérées et non deutérées.
À l'aide de systèmes modèles, les partenaires français et allemands étudieront conjointement deux phénomènes de cisaillement de haute pertinence technique et biomédicale, respectivement : i) l'origine moléculaire du frottement dépendant du cisaillement des liquides polymères enchevêtrés sur les parois solides, qui est censé résulter de l'étirement des chaînes adsorbées en surface au-delà d'une contrainte critique et du démêlage ultérieur des chaînes polymères libres, et ii) la réponse des films lubrifiants dans les articulations des mammifères aux forces de cisaillement afin d'élucider la mécanismes de l'arthrose et traitements médicaux associés. Pour ces études, une cellule de cisaillement spécialisée sera conçue pour permettre des mesures parallèles NR et IR résolues en temps in situ, et la génération de motifs de cisaillement complexes (start-stop, oscillatoire, etc.).