AAP 2014

Ci-dessous les résumés des projets courts et longs désormais clôturés et sélectionnés dans le cadre de l’Appel à Projets 2014 du LabEx EMC3:

NICE

Normandy Initiative for Crystallography using Electrons

Axe 3: Recherche transversale – CRISMAT/LCS/CIMAP

S’inscrivant dans l’axe « Recherche transversale », le projet NICE (2015-2016) portait sur la mise en place d’un nouveau procédé pour déterminer la structure cristalline de composés.

Identifier et déterminer la structure cristalline de composés est un aspect essentiel en science des matériaux. A cette fin, la diffraction des rayons X (DRX) reste la technique la plus utilisée. Mais en laboratoire la résolution spatiale de cette technique reste limitée par la taille de la sonde qui se limite à l’analyse des cristaux de quelques dizaines de micromètres. En outre, quand le matériau à étudier se trouve inclus dans une matrice ou sous forme d’un film mince supporté par un substrat, la DRX se révèle peu adaptée.

Le projet NICE se propose donc de répondre aux besoins de caractérisations structurales pour ces matériaux de faible volume diffractant. L’objectif est la mise en place de méthodologies permettant d’accéder à des informations cristallographiques précises en utilisant la diffraction des électrons en faisceau parallèle. Le premier travail a constitué à synthétiser des matériaux de référence, et matériaux massifs modèles puis des matériaux nouveaux afin de valider l’approche méthodologique de diffraction aux électrons. Après la synthèse de phases référencées,  l’étude du composé Co-AIPO et de nouvelles phases zéotypes dérivées d’AIPO a été réalisée par PEDT et en parallèle, par diffraction des rayons X sur monocristal.

Forte des résultats obtenus et des avancements réalisés dans les affinements dynamiques, la méthodologie de diffraction aux électrons a été développée sur ce composé. Les résultats ont dépassés les attentes : non seulement les résultats obtenus par DRX ont été reproduits par diffraction des électrons (DE) mais cela a également conduit à une validation par des calculs théoriques que les atomes d’hydrogène pouvaient également être obtenus plus facilement que par DRX sur monocristal. Et il ne fait désormais guère de doute que cette technique permettra de déterminer un nombre de structures croissant, à une échelle jusqu’à présent inaccessible actuellement. De plus, les applications sont nombreuses pour cette nouvelle méthode d’analyse, allant des matériaux pour l’énergie aux produits pharmaceutiques.

nice
Porteur : Philippe Boullay (CRISMAT)

EHMA

Electronic Hybrid Materials based on Conducting Polymers Encapsulated in Zeolites

Axe 1: Matériaux pour l’énergie – LCMT / LCS

Le projet EHMA (2015-2016) – « Electronic Hybrid Materials based on Conducting Polymers Encapsulated in Zeolites » a pour ambition de développer de nouveaux matériaux hybrides à faible coût et à base de polymères conducteurs encapsulés dans des zéolithes pour des applications dans le domaine du stockage et de la production d’énergie (batteries, photovoltaïque). L’originalité de ce projet réside dans l’utilisation de la structure poreuse des zéolithes en tant que « matrice » pour faciliter la connexion des chaînes de polymères.

La synthèse de nano-cristaux de zéolithes utilisée dans le cadre de ce projet est très innovante et a permis la stabilisation de polymères dans ces micropores. Les résultats du projet EHMA ont démontré la possibilité de contrôler l’arrangement des polymères conducteurs au sein de nanocristaux de zéolithes pour améliorer leurs propriétés conductrices. Environ 80% du volume des micropores des zéolithes peut être chargé par des polymères conducteurs.

Les travaux menés dans le cadre de ce projet contribuent aux défis sociétaux en matière de gestion et stockage optimaux de l’énergie. De plus, les procédés de production de ces matériaux hybrides sont respectueux de l’environnement. Les résultats obtenus confirment la théorie selon laquelle la formation des polymères est limitée par la structure microporeuse des zéolithes et qu’ils sont dépendants à l’acidité de Lewis des matériaux.

Les résultats des études spectroscopiques prouvent  que la polymérisation a uniquement lieu dans les nanoparticules zéolithiques et qu’aucune polymérisation n’a été observée à la surface des cristaux. Les dimensions des zéolithes auraient donc un impact fort sur la qualité et les propriétés du matériau hybride produit.

Porteur : Bernhard Witulski (LCMT)

THERMOS

Synthèse et caractérisation de matériaux hybrides thermoélectriques à partir de feuillets inorganiques du type MS2 avec M=W, Mo, Ti

Axe 1: Matériaux pour l’énergie – CRISMAT / LCS / LCMT

Les performances d’un matériau thermoélectrique sont directement liées à la nature et à la composition chimique du matériau ainsi qu’à sa structure cristallographique. De ces deux aspects dépendront fortement deux propriétés intrinsèques du matériau: la conductivité électrique due aux électrons de conduction et la conductivité thermique liées aux phonons. Un bon matériau thermoélectrique est donc un compromis entre un bon conducteur électronique (métal) et un bon isolant thermique (isolant), c’est-à-dire un semi-conducteur dégénéré ou à fort dopage.

Le projet THERMOS (2015-2016) – « Synthèse et caractérisation de matériaux hybrides thermoélectriques à partir de feuillets inorganiques du type MS2 avec M=W, Mo, Ti » est porté par le CRISMAT, le LCS et le LCMT. Il a visé à développer de nouveaux matériaux hybrides thermoélectriques à base de sulfures MS2 à structures lamellaires. Dans un deuxième temps, l’insertion de molécules organiques doit minimiser la conductivité thermique en gardant les bonnes propriétés électroniques du sulfure. L’objectif de ce projet est de trouver une alternative au Bi2Te3, actuellement le seul matériau utilisable à température ambiante mais qui s’avère être onéreux et toxique.

Les résultats de ces travaux ont permis d’élaborer un nouveau matériau qui dispose à la fois de propriétés électroniques et de l’isolation thermique ce qui est porteur de perspectives. En effet, via l’insertion de Li+, des molécules comprenant une ou deux fonctions R-NH3+ ont été insérées dans MS2 (M = Mo, Ti). Entre autres, des benzothiazoliums et un ferrocène ont été efficaces dans cette stratégie. Le nouveau matériau développé dispose de bonnes capacités tant du point de vue électronique que de l’isolation thermique.

Finalement, afin de s’inscrire dans une politique de développement durable, une étude concernant le vieillissement et la dégradation de ces matériaux en fonction du temps et de la température sous différentes atmosphères a été réalisée. Elle permet de sélectionner les meilleurs candidats pour de futures applications dans le secteur industriel.

Porteur : Jean-Michel RUEFF (CRISMAT)