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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
DS0305 - Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur

Cristaux liquides de Graphene – GAELIC

Les cristaux liquides de graphène: production, utilisation et mise en forme de films minces

L'obtention et le traitement de graphène par voie liquide permet d'explorer de nouvelles voies dans le domaine des nanomatériaux. <br />Le projet repose sur l'obtention de phases cristal liquide à partir de dérivés du graphène (graphénure, oxyde de graphène et oxyde de graphène réduit) et de composites graphène/nanoparticles. Le contrôle des propriétés structurales et rhéologiques des cristaux liquides sera utilisé pour obtenir des dépôts et films minces dont nous étudierons les caractéristiques.

Obtenir des films organisés de graphène et des composites graphène/nanoparticules nanostructurés à partir de mésophases colloïdales

Le projet GAELIC est destiné à mieux connaître et comprendre les propriétés physico-chimiques des dispersions de graphène et de dérivés de graphene et utiliser cette connaissance pour aider au développement de futures approches industrielles.Il est centré sur la réalisation de cristaux liquides de graphène et de composites graphène/nanoparticules. Ces cristaux liquides peuvent être déposés pour obtenir des films minces nanostructurés.L 'utilisation de phases cristal liquide présente deux avantages par rapport au dépôt d'une solution isotrope. i) Il permet le dépôt de solutions concentrées. Les solutions de graphène isotropes sont en effet très diluées pour les feuillets de grande taille. ii) Il devrait permettre un meilleur contrôle de l'alignement et ainsi améliorer les propriétés physicochimiques des dépôts ainsi constitués. Trois propriétés plus spécifiques seront examinées: la protection d'un substrat par les couches minces, les effets SERS dans les mékanges composites NPs/Graphene et les capacités du graphène décoré de NPs comme promoteur d'adhésion de films métalliques.

Le projet projet combine la fabrication de suspensions de graphène et de ses dérivés ainsi que des suspensions de nanoparticules, et de leurs études rheologiques/structurales/optiques de manière assez linéaire. Une fois fabriquées, les suspensions sont caractérisées par des méthodes de spectroscopies methods (Absorption, Raman) de diffusion RX, lumière. Les investigations rhéologiques classiques sont également abordées en Rheo-SAXS pour déterminer l'organisation des échantillons les plus concentrés sous écoulements. D'autres techniques comme les mesures de biréfringence sous microécoulement sont faites pour déterminer l'effets des écoulments sur les échantillons les plus dilués. Les mesures Raman sont faites pour determiner la qualité du graphene dispersé mais aussi pour estimer les effets SERS dans les composites avec des méthodes classiques : spin-coating, dip-coating et Dr Blade. Les films obtenus seront étudiés en Raman et en microscopie électronique. Leurs propriétés seront reliées à celles des suspensions initiales.

Après 18 mois de travail nous considérons que le projet s'est bien établi. Les dispersions initiales ont été obtenues et caractérisées en partie. Les diagrammes de phase ont été établis. Certaines dispersions comme les graphénures ont été obtenues mais ne permettent pas d'obtenir des phases cristal liquides alors que les graphènes oxydés et les oxydes de graphène réduits en solution permettent d'obtenir des cristaux liquides dans des gammes de concentrations importantes.
Nous avons montré que certaines de ces solutions pouvaient être mélangées à des solutions de nanoparticules sans donner lieu à aggrégation. Les dispersions (graphène et hybrides) ont commencé à être caractérisées. Elles répondent très bien aux alignements sous écoulements même aux concentrations les plus faibles. Aux plus hautes concentrations, des instabilités spécifiques sont présentes lorque les cristaux liquides sont soumis à des microdéformations. La formation de films à partir des solutions donne également lieu à des instabilités spécifiques que nous avons juste commencé à étudier.

Le projet est maintenant bien établi dans ses aspects matériels. Nous poursuivrons le programme défini et notamment la formation des films et de leur caractérisations où résident le plus d'enjeux.

En ce qui concerne la dissémination scientifique, plusieurs communications dans des conférences internationales (Soft Matter, ECIS, Graphene) ont été faites et au moins deux papiers sont en préparation.

Le graphène fait partie de ces matériaux prometteurs dont un développement industriel fort est attendu dans les prochaines décennies. Bien qu’il ait été découvert seulement en 2004, nombre de ses propriétés exceptionnelles ont déjà été explorées et appliquées à une échelle académique; plusieurs produits industriels de masse sont même attendus dans les prochaines années. La recherche actuelle est focalisée principalement sur du graphène obtenu soit i) par une synthèse coûteuse de monocouches sur substrats cristallins à partir de molécules carbonées. Les couches obtenues sont alors planes, de grandes dimensions et d’excellente qualité. Elles conviennent aux applications touchant à l’électronique et à la micromécanique. ii) la fabrication, à un coût réduit, d’oxyde de graphène par exfoliation en solution de graphite oxydé. Une fois réduit, les flocons de graphène ainsi obtenus sont de moindre qualité, très polydisperses en taille et en nombre de couches. Les propriétés du graphène réduit sont également moins intéressantes en raison de la rémanence de nombreux groupes oxyde et la synthèse en voie liquide permet difficilement la structuration des feuilles. Cette voie a cependant l’avantage de pouvoir être déployée à grande échelle pour des applications industrielles où le graphène réduit convient, comme la fabrication de revêtements, les encres, la fabrication de composites et les bio-applications.
Le développement de nouveaux procédés efficaces permettant d’obtenir du graphène de bonne qualité à moindre coût, tout en contrôlant son organisation à grande échelle reste encore un défi. De nouveaux procédés permettraient non seulement d’améliorer les performances des dispositifs basés sur le graphène à moindre coût, mais permettraient également le développement de nouvelles applications et dispositifs dans lesquels l’organisation des couches à grande échelle est importante pour le produit considéré. Le projet GAELIC va explorer de nouvelles approches permettant la réalisation de films minces et de revêtements contenant du graphène et des matériaux hybrides graphène/nanoparticules structurés sur de grandes échelles à partir de graphène obtenu par voie liquide. Le projet permettra de développer et d’améliorer de futures applications industrielles où la qualité, la taille et l’organisation des couches de graphène sont cruciales.
Le projet repose principalement sur la réalisation de phases cristal liquide formées par des dérivés du graphènes (graphénure, oxyde de graphène et oxyde de graphène réduit) en solution, ainsi que sur l’étude et le contrôle de leurs propriétés structurales et rhéologiques. Des cristaux liquides de graphène et hybrides (graphène/nanoparticules métalliques) de qualité variables seront fabriqués et caractérisés et serviront à obtenir des dépôts et films minces. L’utilisation de cristaux liquides à la place de solutions isotropes de graphène présente deux caractéristiques essentielles : i) elle permet l’utilisation de solutions concentrées. Les suspensions isotropes de graphène sont en effet très diluées surtout pour les flocons de grande taille. ii) elle permet de bien mieux contrôler l’alignement des couches et l’organisation des nanoparticules, ce qui se traduira par une amélioration des propriétés physico-chimiques des matériaux.
La nanostructuration de ces films et leurs propriétés spécifiques seront étudiées et reliées aux propriétés rhéologiques et structurales des cristaux liquides précurseurs. Nos connaissances seront alors utilisées pour réaliser trois démonstrateurs destinés à valider l’efficacité des méthodes développées : de nouveaux types de substrats pour le SERS, des couches de passivation innovantes et des films minces promoteurs d’adhésion pour le placage métallique. L’intérêt industriel de ces films minces à base de graphène sera évalué pendant le projet.

Coordinateur du projet

Monsieur Christophe BLANC (Laboratoire Charles Coulomb)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CRPP Centre de Recherche Paul Pascal
L2C Laboratoire Charles Coulomb

Aide de l'ANR 369 304 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2015 - 48 Mois

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