MACS - ICGM UMR 5253

Elaboration de matériaux fonctionnels avancés

2010-11-19T09:15:00Z

Notre métier en deux mots : élaborer des méthodes de synthèse des matériaux avec les fonctions chimiques et l'accessibilité appropriées pour les applications en catalyse, en séparation, ou dans le domaine médical.

La caractéristique des chercheurs qui se reconnaissent dans ce thème est de savoir développer leur compétence dans des domaines précis de la science des matériaux tout en maintenant une liaison constante avec les applications en catalyse et santé spécifiques de l'Equipe MACS. Les projets du thème découlent de la définition même de matériau fonctionnel, qui implique la gestion simultanée d'un site actif et de son accessibilité. Pour une véritable ingénierie du système réactionnel, il est nécessaire de maîtriser en même temps la structure chimique du site et les propriétés texturales du matériau, afin d'assurer le niveau de dispersion et l'accessibilité des sites appropriés pour chaque application. Les différentes applications en catalyse, séparation et santé demandent une palette de topologies étendue : de la dimension idéalement zéro des nanoparticules isolées à la monodimensionnalité des fibres qui forment le réseau ouvert des polymères naturels, la bidimensionnalité des feuillets d'hydroxydes doubles lamellaires (HDL), la tridimensionnalité des charpentes qui entourent le réseau poreux des zéolithes ou des matériaux à tensioactif structurant.

Les projets sur les nanomatériaux concernent la mise au point, par des voies de synthèse douces en milieu aqueux, de nanoparticules et de matériaux structurés à taille et morphologie contrôlées. L'activité principale de Corine Gérardin est l'élaboration de nouveaux agents structurants et fonctionnalisants par association contrôlée de polymères, de préférence hydrosolubles. Ces assemblages sont utilisés soit pour préparer des particules colloïdales par croissance contrôlée au sein d'un nanoréacteur supramoléculaire, soit pour préparer des nanomatériaux par construction de l'édifice minéral autour des assemblages. Un des objectifs majeurs est de mettre au point des voies d'élaboration de matériaux poreux permettant le recyclage de l'agent structurant dans des conditions douces, en voie aqueuse. Les nano-objets fonctionnalisés sont ensuite testés dans des applications pour la catalyse et la santé.

Dans la synthèse de matériaux inorganiques mésoporeux (un adsorbant mésoporeux a des pores dont le diamètre mesure entre 2 et 50 nm), activité principale de Anne Galarneau, les recherches sont orientées vers l'optimisation de la préparation de matériaux siliciques à tensioactif structurant de taille de pores supérieure à 6 nanomètres à réseau poreux tridimensionnel pour obtenir des particules de taille et morphologie contrôlée. Ces solides visent des applications en séparation, comme des monolithes à porosité hierarchique qui sont préparés par décomposition spinodale de polymères et/ou liquides ioniques. Des matériaux siliciques sont préparés en utilisant des tensioactifs naturels, tels que la lécithine, notamment pour encapsuler des biocatalyseurs. L'obtention de microsphères mésoporeuses par atomisation, qui ouvre la voie à des possibilités de fonctionnalisation et mise en forme originales, est suivie par Bruno Alonso, qui asssure aussi l'étude des interfaces organique-inorganique et des surfaces poreuses par spectroscopie RMN du solide.

Cliché de microscopie électronique à balayage de la section d'une sphère microporeuse atomisée (B. Alonso, Microp. Mesop. Mater. 2007, 106 , 76)

Porosité hiérarchique : cliché de microscopie électronique à transmission d'un monolithe de silice mésoporeuse (A. Galarneau, New J. Chem. 2007)

La synthèse de zéolithes et zéotypes (matériaux cristallin microporeux, donc avec pores au diamètre inférieur à 2 nm, prisés pour leur sélectivité d'adsorption et la force de leurs groupements acides), domaine traditionnel de Francesco Di Renzo, vise la maîtrise de la taille et de la composition des cristaux, indispensables pour l'optimisation des procédés catalytiques. L'introduction de métaux de transition dans les zéolithes est menée en parallèle avec le groupe de modélisation et vise des applications dans le domaine des capteurs autant que de la catalyse. La compréhension des mécanismes d'autoassemblage en milieu minéral et l'étude de méthodes douces d'activation présente un intérêt industriel important.

Les travaux relatifs aux hydroxydes doubles lamellaires (HDL, bien connus comme catalyseurs basiques et échangeurs d'anions), domaine traditionnel de Didier Tichit, visent trois secteurs principaux d'application : la catalyse, la vectorisation de principes actifs et la détection de gaz ou de produits chimiques. La possibilité de modifier la composition de ces solides, en y introduisant des métaux de transition, ouvre la voie à la multifonctionnalité des matériaux (différents sites actifs) et leur polyvalence. Pour cela est développée la voie nanocomposites dans laquelle les HDL, structures hôtes, accueillent des espèces invitées adaptées. Les méthodes de la chimie douce sont privilégiées à tous les stades de l'élaboration des matériaux, . L'opération de recherche sur les polymères naturels, dirigée par Françoise Quignard, vise à exploiter les propriétés intrinsèques de ces matériaux renouvelables, abondants, biodégradables et biocompatibles dans les domaines de la catalyse et de la santé. Ces polymères sont employés seuls ou comme composante organique d'hybrides. L'obtention d'aérogels de grande surface spécifique à partir de ces polymères est une spécificité du laboratoire, qui ouvre des domaines d'application encore non explorés.

La fonctionnalisation de surface, suivie par Karine Molvinger et Mike Robitzer grâce à leurs compétences en chimie organique et organométallique, donne une souplesse particulière à l'élaboration de matériaux fonctionnels. Le greffage de molécules chirales ouvre la voie à des applications en catalyse ainsi que dans le domaine de la séparation d'enantiomères. Le greffage d'enzymes, anticorps ou médiateurs d'électrons rend possibles des applications en biochimie, protéomique et capteurs. L'activité du thème a porté en 2006-2007 à la publications de 42 articles dans journaux scientifiques internationaux et au dépôt de 6 brevets. Les chercheurs du thème sont impliqués dans deux réseaux d'excellence européens (FAME et IDECAT) et dans plusieurs collaborations industrielles.

Association Instituts Carnot

2008-02-04T13:28:54Z

Institut Carnot - CED2

Modélisation et études spectroscopiques de matériaux fonctionnels

2008-02-01T09:30:05Z

Notre activité est liée plus particulièrement à celle des groupes qui élaborent les matériaux préparés au laboratoire, mais elle s'étend également aux matériaux ou molécules d'autres origines dont l'étude peut, à priori, enrichir la base de connaissances utiles de l'équipe. Elle s'appuie essentiellement sur des compétences reconnues dans les domaines de la modélisation et de la spectroscopie (surtout électronique et vibrationnelle).

La modélisation présente deux aspects. Le premier concerne le développement d'outils méthodologiques (mots clés : DFT, QM/MM (potentiels des atomes à l'interface), dynamique Born-Oppenheimer, paramétrage de méthodes DFTB, fonctionnelles d'échange-corrélation, termes empiriques de Van der Waals, méthodes multi-échelles). Leur application présente concerne les structures et propriétés de systèmes biologiques et/ou hybrides (mots clés : lipides, tensioactifs, micelles, liposomes, matériaux hybrides). Le second aspect concerne l'application de méthodes de chimie quantique à l'étude des propriétés structurales, électroniques, spectroscopiques et de réactivité. Les objets étudiés sont des complexes de métaux de transition adsorbés sur des surfaces solides et intervenant dans des processus catalytiques, ainsi que des métalloprotéines (mots clés : métallo-protéines, metallo-zéolithes, LDH, Cu, Zn, spectres vibrationnels, RPE, RMN, reactivité).

En spectroscopie, les recherches expérimentales se concentrent sur les interfaces en milieu aqueux et les colloïdes, les nanoparticules inorganiques et hybrides, le contrôle du greffage à la surface des solides et l'adsorption en solution. Les objets étudiés sont les matériaux de la catalyse hétérogène (métallo-zéolithes et HDL), les micelles, les liposomes et les liposils ainsi que les matériaux avancés qui en dérivent (pour le transport et le relargage de médicaments). Le processus d'auto-assemblage qui est à l'origine de la formation de matériaux structurés (LDH, liposils, complexes de polyions) constitue aussi un thème d'études. Ces expériences évoluent progressivement vers des techniques in-situ et in operando et font souvent appel à des sondes IR ou fluorescentes. Les interprétations s'appuient fortement sur des compétences dans le domaine de la simulation avec les outils de la mécanique quantique, de la mécanique moléculaire et de la dynamique.

Catalyse hétérogène pour l'environnement, relation entre structure et réactivité du matériau – calculs des étapes élémentaires des réactions catalysées par des matériaux qui possèdent des ions de métaux de transition dans leur site actif - Modélisation des structures, des propriétés spectroscopiques et physico-chimiques de ces matériaux ainsi que de leur réactivité. Par des méthodes quantiques (DFT). Dorothée Berthomieu - Annick Goursot

Application des méthodologies développées à la modélisation multi-échelle de l'autoassemblage et à l'étude Développements méthodologiques dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Participation au groupe international des développeurs du code deMon.de l'interface organique – inorganique des nano-objets hybrides, en particulier dans le nouvel axe santé de l'équipe. Annick Goursot - Tzonka Mineva

Application de la DFT a l'étude de la réactivité des hydrocarbures sur des surfaces bien définies (catalyse modèle hétérogène). Tzonka Mineva

Analyse des interactions métal-ligand dans les protéines métalliques par des méthodes quantiques. Etude de la réactivité des protéines à métaux pour comprendre la spéciation des métaux, en lien avec leur rôle de polluant et le développement de l'axe santé de l'équipe. D. Berthomieu

Analyse des sites actifs des catalyseurs, sites acides et basiques au moyens de sondes moléculaires (DRUV, IR/DRIFT, fluorescence) – étude de la qualité des greffages et de la dispersion des greffons fonctionnels à la surface des solides – études de l'aspect fonctionnel des greffons (accessibilité, interactions, capacité à se complexer, à s'isomériser, …) – étude des échanges d'ions dans les hybrides à base de HDL. Dan Lerner - Nathalie Marcotte - Robert Durand - Biche Chiche

Matériaux nanostructurés pour la santé

2008-02-01T09:28:56Z

Trois thèmes seront plus particulièrement développés (en opérations transverses avec des collègues des thèmes II et IV) :

1. Physiconfinement de principes actifs au sein de matériaux nanostructurés :

Ce projet relève du domaine de la préformulation des principes actifs peu solubles dans l'eau et consiste à : (i) d'une part mettre au point par fonctionnalisation d'un matériau nanostructuré une plateforme biomimétique afin de caractériser de nouveaux PA peu solubles dans l'eau en terme de prédiction de perméabilité, et (ii) d'autre part étudier les relations hôte-matériaux mésoporeux dans l'objectif de contrôler l'état physique de principes actifs encapsulés ainsi que leur mécanisme de diffusion.

2. Matériaux hybrides ou composites multifonctionnels :

Formulation de systèmes dispersés à base d'excipients multifonctionnels. Le but est de mettre en œuvre des excipients multifonctionnels (lipides, tensioactifs, huiles et polymères) en vue de développer des systèmes dispersés innovants tels que liposomes, nano et microémulsions et enfin nano et microparticules. Ils ont pour rôle non seulement de contrôler la nature, la charge et la taille des objets formés mais aussi la libération et la biodisponibilité des molécules actives qui leur sont associés et ce pour différentes voies d'administration. Ces systèmes qui s'adressent généralement à des principes actifs insolubles dans l'eau ou instables en milieu biologique nécessitent des excipients permettant notamment de favoriser le passage transmembranaire par voie cutanée ou par voie orale. Des polymères synthétiques activables (chaleur, lumière) sont aussi envisagés afin de moduler la cinétique de libération des actifs. La stratégie consiste à associer des matériaux inorganiques aux systèmes dispersés précédemment développés qui servent d'objets structurants. Les matériaux inorganiques de type silicique ou hydroxyde double lamellaire récemment mis au point au laboratoire ont été à l'origine de la formation d'objets hybrides nanostructurés originaux avec une grande affinité vis-à-vis des PA hydrophobes : respectivement des liposomes recouverts d'une coque silicique et des matrices multilamellaires intercalant des couches d'hydrotalcite avec des phospholipides. De la même manière il est envisagé d'associer ces matériaux inorganiques avec des polymères naturels ou synthétiques et des agents de surface de manière à former de nouveaux objets hybrides multifonctionnels au sein desquels le PA sera confiné. La morphologie et les interactions aux interfaces des nanostructures hybrides seront caractérisées par des méthodes physico-chimiques usuelles en relations avec les intervenants des autres thèmes de l'équipe tandis que les cinétiques de libération seront évaluées selon les normes de la Pharmacopée selon nos compétences propres.

3. Matériaux biomimétiques :

Les matériaux biologiques intègrent de nombreuses fonctions associées à une structuration sophistiquée et spécifique. Des cellules spécialisées synthétisent les macromolécules qui s'organisent spontanément pour former une matrice dense et organisée, souvent associée à une phase minérale. Il s'agit dans ce projet de maîtriser les propriétés d'auto-assemblage de macromolécules biologiques, en s'appuyant sur des modèles de cristaux liquides lyotropes, et plus généralement de comportement des polyélectrolytes et polyampholytes à l'état condensé. Les deux modèles expérimentaux sont des suspensions colloïdales de chitine (polysaccharide aminé) et solutions de collagène (protéine). Au-delà des aspects fondamentaux concernant l'auto-assemblage et la minéralisation de ces macromolécules modèles, qui constituent les fondements du projet, il sera intéressant d'étudier comment des molécules thérapeutiques peuvent être associées à ces matrices. La biocompatibilité intrinsèque des polymères naturels impliqués en fait des candidats de choix pour le développement de matériaux en contact avec le vivant : implants pour le comblement, le transport et la libération de principes actifs. Nous exploitons l'expertise unique acquise dans la manipulation du collagène par auto-assemblage en milieu dense pour développer des matériaux biomimétiques avec une nanostructuration contrôlée en trois dimensions et à grande échelle. Cette approche nous permet d'envisager sous un angle nouveau l'étude du comportement des cellules nerveuses dans un contexte biomimétique.

Le projet scientifique

2007-12-31T09:55:00Z

Pour l'essentiel, le cœur de notre projet scientifique découle des orientations et engagements à moyen terme déjà programmés (réseaux 7ième PCRD, partenariats industriels, programmes incitatifs) et du souci de l'approfondissement de nos thématiques actuelles : élaboration maîtrisée, caractérisation et étude du comportement de matériaux à fonctionnalités : fonctionnalités de nature catalytique, séparative et orientées vers les sciences du médicament. Le développement de nos activités se réalise au regard de préoccupations sociétales telles que l'environnement, l'énergie et la santé.

La catalyse pour l'environnement concerne, la prévention et la remédiation des pollutions, l'intensification des procédés, la valorisation des bioressources, par le développement de matériaux catalytiques hautement sélectifs. Les activités dans le domaine de l'énergie sont reliées à la valorisation du gaz naturel, la production de bio-carburants et de carburants reformulés. Enfin les recherches dans le domaine de la santé sont centrées sur les matériaux hybrides et composites nanostructurés à base de silice et/ou de silicium poreux et d'une composante organique telles que des lipides ou des polymères synthétiques et naturels. Ces matériaux sont destinés à la caractérisation et la formulation de principes actifs peu solubles dans l'eau et aux systèmes à libération contrôlée de principes actifs.

Bien évidemment, au centre de ces préoccupations réside la conception et la synthèse de matériaux divisés, nano- et mésostructurés par auto organisation autour d'ions, de molécules, d'édifices supramoléculaires et la maîtrise des interfaces hybrides organique/inorganique. La compréhension de cette chimie de coordination interfaciale est un aspect essentiel du développement de ces matériaux : physico-chimie et réactivité de fluides en milieu confiné, interaction "hôte-invité", depuis l'ion de métal de transition dans les zéolithes jusqu'au principe actif dans matériaux multifonctionnels. Les spectroscopies in situ, la modélisation par chimie quantique constituent des "outils" essentiels pour l'aboutissement de ces recherches.

L'une des caractéristiques originale du laboratoire, et qui en fait sa force, est son approche intégrée de l'étude des matériaux à fonctionnalités, depuis la description de l'architecture des sites et de leur environnement, jusqu'à la mise en œuvre des solides synthétisés à l'échelle du micro pilote dans des domaines aussi variés que la chimie, la catalyse et la santé. Les performances du matériau final résultent en effet de propriétés coopératives (topologie du site, polarité des interfaces, contraintes stériques, transport de matière…), qui se manifestent dans une large gamme d'échelles de tailles, de l'atome jusqu'au grain, et qu'il est nécessaire de prendre en compte à chacune des étapes de son élaboration. Cette double finalité a guidé les orientations stratégiques du laboratoire tout au long de son évolution et nous a conduits à développer une approche intégrée de la conception de matériaux pour la catalyse, l'adsorption et le domaine du médicament. Cette approche s'appuie sur une équipe pluridisciplinaire à l'interface entre la chimie des matériaux et la biologie-santé grâce à des compétences en chimie et physico-chimie du solide, en chimie inorganique, en synthèse organique fine, en modélisation, en spectroscopie, en génie chimique et enfin dans la formulation, la physico-chimie et l'étude de la biodisponibilité de principes actifs, et ceci en collaborations fortes avec le milieu industriel.

L'analyse de la structuration de nos activités de recherche nous montre trois traits caractéristiques : (i) la transversalité de la majorité des opérations de recherche, (ii) la participation active de chaque personne à plusieurs opérations de recherche, et (iii) la mutualisation des équipements et moyens financiers. L'équipe MACS en quatre thèmes de recherche et une cellule dédiée aux missions scientifiques et techniques d'intérêt général. Cette organisation est basée sur les domaines d'expertise reconnus des personnes du laboratoire dans les matériaux, la catalyse, la santé, la chimie théorique et les spectroscopies. Compétences sur lesquelles s'appuient des opérations de recherche transverses qui sont la réalité de notre fonctionnement.

Un peu d'histoire...

2007-11-30T09:56:00Z

A l'origine de l'Unité actuelle était le "Laboratoire de Chimie Organique Physique Appliquée" créé en 1970 par le Professeur Patrick Geneste à l'Ecole de Chimie de Montpellier. L'association de spécialistes de catalyse hétérogène et de chimistes organiciens au début des années 80, ayant des compétences en chimie théorique, sciences des matériaux et sciences de la vie donne une nouvelle orientation au laboratoire dont l'intitulé devient alors "Laboratoire de Chimie Organique Physique et Cinétique Chimique Appliquée". Patrick Geneste en assurera la direction jusqu'en 1994. A cette date François Fajula (Directeur de Recherche CNRS) prend la direction du laboratoire dont l'intitulé devient "Laboratoire de Matériaux Catalytiques et Catalyse en Chimie Organique". De janvier 2003 à décembre 2006, le directeur fut Bernard Coq (Directeur de Recherche CNRS). Bernard Coq est le responsable actuel de l'équipe MACS. Depuis l'année 2000, les activités de recherche de l'équipe, typiquement orientées vers la catalyse ont subi une mutation importante avec une forte orientation vers la conception de matériaux poreux et divisés pour des applications non seulement en catalyse, mais également en séparation et dans les sciences du médicament.

Article ressource

2004-11-19T09:28:16Z

En cours de construction

Catalyses pour un développement durable

2004-11-18T12:12:56Z

Nos objectifs de recherche en catalyse concernent la conception intégrée de procédés depuis l'identification du site actif (collaboration avec le Thème IV), l'élaboration maîtrisée de matériaux (collaboration avec le Thème II), la cinétique des réactions de surface, et jusqu'à la mise en œuvre de réacteurs continus (phase gaz, liquide et multiphasiques). L'ensemble des compétences nécessaire à la réussite de ces objectifs sont réunies par les personnels du Thème I : en catalyse redox (B. Coq, G. Delahay), en catalyse acido-basique et de polymérisation (F. Fajula, A. Finiels, V. Hulea), en bio-catalyse (G. Renard), en adsorption, cinétique et thermodynamique (P. Trens) et en génie des procédés (N. Tanchoux). Notre volonté est donc de concevoir et développer des matériaux et procédés catalytiques pour une chimie au service du développement durable (procédés propres) et pour la protection de l'environnement (remédiation des pollutions). Un certain nombre d'orientations de nos recherches s'insèrent dans le cadre réseau d'excellence IDECAT, et de notre partenariat industriel.

Tout d'abord, la transformation "catalytique" met en jeu des phénomènes d'adsorption et de transport qui déterminent l'efficacité du procédé. La compréhension de ces phénomènes et leur maîtrise demeurent en permanence au centre de nos préoccupations par l'étude de la physico-chimie de phases et de bio-molécules confinées dans les nano- et mésopores, l'adsorption de molécules sondes sur des nano-particules métalliques et oxydes et sur des sites actifs (études in situ). La mise en œuvre de procédés économes en atomes et en énergie, la valorisation des bio-ressources, du gaz naturel et des oléfines légères pour la production de carburants "verts" et de synthons ou briques élémentaires pour la synthèse seront des enjeux essentiels de la catalyse. Dans cette optique nous travaillons sur : (1) La conception et l'élaboration de matériaux catalytiques et bio-matériaux aux propriétés contrôlées : solides capables d'induire des effets de confinement, texturation hiérarchisée, catalyseurs multi-fonctionnels ; ces matériaux sont à base de zéolithes, zéo-types (SAPO …), mésoporeux structurés (MCM-41, SBA-15 …), hydroxydes doubles lamellaires. (2) La modification de ces matériaux par "introduction" d'ions de métaux de transition (TMI), nano-particules métalliques et oxydes, biomolécules. L'immobilisation de ces biomolécules (protéines, enzymes), leur interaction avec la structure hôte, et leur activité enzymatique sont particulièrement étudiées. (3) Le développement de procédés de catalyse intégrés : réacteurs continus multi-usages pour des systèmes polyphasiques (réacteurs continus agités sous pression), intégration réaction chimique-opérations physiques (distillation catalytique, séparation liquide-liquide), etc.

La remédiation des pollutions est une préoccupation permanente de notre société. D'immenses avancées ont été réalisées sur l'une des sources majeure de pollution atmosphérique : les véhicules automobiles. Néanmoins, dans ce domaine la réduction catalytique sélective (SCR) des oxydes d'azote issus de moteurs Diesel demeure toujours un défi. Nous travaillons sur deux aspects de la SCR : (i) la SCR par l'ammoniac sur TMI-zéolithes, matériaux où notre expertise est considerable, et sur oxides mixtes, et (ii) la SCR par hydrocarbures sur oxides mixtes. D'autre part, des résultats récents du laboratoire ont illustré le potentiel d'enzymes "supportées" dans la remédiation des eaux usées industrielles. Cette nouvelle opération de recherche va s'insérer dans le domaine plus large de la bio-catalyse hétérogène dont la structuration et le renforcement constituent une action importante du thème.

Présentation

2003-11-30T10:27:00Z

L'équipe "Matériaux Avancés pour la Catalyse et la Santé" (MACS) est l'une des huit équipes de l'Institut Charles Gerhardt de Montpellier (UMR 5253) créé au 1 janvier 2007. L'équipe MACS est hébergées par l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier. Elle est implantée sur deux sites. Sur le site de l'ENSCM rue de La Galéra, à 4 km du site du centre ville, où elle dispose de 1760 m2 de locaux, et à l'Université Montpellier 1, rue Charles Flahaut, où elle dispose de 400 m2 de locaux.

Notre unité est fortement impliquée dans l'une des quatre options de formation des élèves-ingénieurs "Environnement, catalyse, procédés propres" dont une partie des enseignements magistraux et des travaux pratiques sont assurés dans ses locaux.