Micro-manipulation magnétique de copolymères multiblocs – MANIOC

Depuis l'émergence des nanotechnologies dans les années 80s, les copolymères à blocs sont fréquemment utilisés pour concevoir des "préformes" permettant de contrôler la structure de nanoparticules inorganiques. La philosophie de MANIOC repose sur le raisonnement inverse. Elle consiste à manipuler la microstructure de copolymères triblocs en adsorbant leurs extrémités sélectivement à la surface de particules magnétiques « stimulables » et « guidables ». Le procédé expérimental, permettant la conception de microstructures hors équilibre sur demande, peut se résumer en trois étapes :
1. Homogénéisation de la matrice copolymère via hyperthermie magnétique. Cette étape consiste à irradier les nanoparticules magnétiques noyées dans le copolymère à bloc avec un champ magnétique oscillant à haute fréquence (env. 1 MHz). La dissipation de chaleur induite par hystérésis magnétique permet alors de chauffer rapidement le matériau au-dessus de sa transition ordre-désordre pour le rendre liquide.
2. Organisation des nanoparticules sous forme de chaines dipolaires orientées selon la direction du champ magnétique appliqué. Cette étape, qui repose sur la migration des nanoparticules magnétisées, démarre dès que le copolymère hôte est devenu liquide.
3. Réassociation sélective des copolymères à blocs à l'interface avec les nanoparticules lors du refroidissement. Cette dernière étape permet de piloter la géométrie de la phase dure du copolymère en se basant sur la structure des nanoparticules. Les lignes de champ peuvent être modifiées via la géométrie de l’inducteur utilisé. Le matériau résultant est un élastomère thermoplastique fortement anisotrope.
Le système cible est basé sur un copolymère tribloc P2VP-b-PnBuA-b-P2VP, ou son homologue à base de P4VP, et des colloïdes de magnétite (Fe3O4). Alors que le P2VP (Tg=100°C) est bien connu pour interagir favorablement avec la surface polaire des particules inorganiques via des liaisons hydrogène, le PnBuA (Tg=-55°C) n'interagit que faiblement avec elles, assurant une séparation de phase marquée à l'interface avec les particules.
L’un des principaux challenges de MANIOC consiste à détecter simultanément les trois phases présentes au sein des nanocomposites avec précision : (i) la phase organique molle qui occupe la majorité de l’espace, (ii) la phase organique dure à l’interface avec les charges, et (iii) les nanoparticules magnétiques. Pour cela, nous proposons une étude poussée en microscopie, combinant les dernières technologies AFM accessibles, le marquage chimique et les méthodes de tomographie électroniques.
Nous nous attendons à ce que la manipulation de la phase organique impacte les propriétés macroscopiques de façon significative. En particulier, nous proposons une série de tests rhéologiques permettant de mettre en avant les relations structures-propriétés, aussi bien à basse qu’à haute déformation. Pour la première fois, nous proposons aussi de mener certaines expériences sous irradiation magnétique, « in-situ » dans un rhéomètre équipé de géométries en céramique. Au-delà des propriétés mécaniques, nous visons particulièrement la perméabilité aux ions et aux gaz permettant d’imaginer des applications orientées vers les électrolytes de batteries ou les membranes de filtration. En effet, la création de « tunnels » au sein des composites doit permettre de moduler fortement, et sélectivement, la diffusion de petites molécules.