Polymères biosourcés issus de LTTM {glucide : polyacide carboxylique : eau} : élaboration et applications dans les matériaux carbonés réfractaires

Doctorant : Gabriel DUAUX

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les matériaux composites carbone/carbone réfractaires sont constitués de charges granulaires carbonées mises en forme à l’aide d’un liant carbonisable. Jusqu’à présent, le liant utilisé est généralement le brai de goudron houille, cancérigène et visé par REACH. Afin de le substituer par un produit plus respectueux de l’environnement et de la santé des manutentionnaires, nous proposons une solution innovante dans ces travaux de thèse. Les glucides, et plus particulièrement les sucres, sont des composés carbonisables possédant un rendement en carbone faible. En présence de polyacide carboxylique, ceux- ci peuvent former un mélange à transition de phase basse température se caractérisant par un eutectique ou une température d’écoulement plus faible que celle de ses constituants pris séparément. Ce type de mélange est capable de réagir à des températures de l'ordre de 100 °C, donc inférieures à celles communément requises pour des réactions d'estérification. Ce comportement s'apparente à celui déjà décrit pour les BADES (Brønsted Acidic Deep Eutectic Solvent). Dans ces conditions sont obtenus des copolymères (ester-co-oside) linéaires et branchés qui conduisent à un réseau poly(ester-co-oside) en poursuivant la réaction sous vide. Par le choix des constituants et le contrôle du temps de réaction, il est possible de piloter la viscosité des polymères pour les utiliser comme liant dans des composites carbone/carbone à charges granulaires. Dans ce cas, nous avons montré que l’utilisation de polyacides carboxyliques présente trois avantages : i) en mélange avec des sucres, des LTTMs (Low Transition  Temperature Mixtures) liquide à température ambiante sont formés, ce qui facilite leur utilisation dans le procédé, ii) ils servent de réactif et de catalyseur pour la polymérisation des sucres et iii) ils permettent d’augmenter le rendement en carbone des liants. Ces résultats sont très prometteurs pour la fabrication de composites carbone/carbone réfractaire comme électrode pour l’électrolyse de l’alumine.

 

Etude de la réaction Carbamate / Aldéhyde et son application vers de nouveaux matériaux thermodurcissables

Doctorant : David GERARD

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La grande majorité des systèmes réticulant actuellement mis en jeu dans la synthèse de matériaux thermodurcissables nécessitent l'utilisation de composés souvent dangereux pour l'environnement comme pour les opérateurs. Les polyuréthanes, particulièrement importants car utilisés dans de nombreuses applications, ne font pas exception à cette règle. En effet, ces polymères sont classiquement obtenus par polyaddition entre un polyol et un polyisocyanate, ce dernier étant issu de dérivés du phosgène très toxiques. Le développement d'alternatives plus sûres et durables présente ainsi un intérêt particulièrement important pour les équipes de recherche tant académiques qu'industrielles. Le but de ce projet est d'explorer une nouvelle alternative pour la synthèse de matériaux polyuréthanes réticulés via la réaction entre des fonctions carbamate primaires et aldéhydes. Bien que connue depuis le 19e siècle, cette réaction n'a été utilisée pour obtenir des matériaux thermodurcissables que depuis très récemment, et ce sans jamais utiliser de composés biosourcés. Cette étude débute ainsi par la compréhension de la réaction carbamate / aldéhyde en elle-même à travers l'étude de différentes réactions modèles monofonctionnelles afin de valider la faisabilité de notre stratégie. Notre proposition d'un mécanisme réactionnel vient compléter cette étude fondamentale afin de comprendre au mieux les paramètres clés de cette réaction. Nous nous sommes par la suite intéressé à des systèmes polyfonctionnels afin d'obtenir des polyuréthanes linéaires puis tridimensionnels par cette réaction, mettant en jeu des composés biosourcés, jusqu'à l'élaboration et la caractérisation des polymères obtenus. Ce travail constitue ainsi un socle sur lequel des études suivantes peuvent s'appuyer  pour élaborer de nouveaux matériaux polyuréthanes thermodurcissables biosourcés sans isocyanate ni phosgène.

 

 

Nouvelles stratégies pour l’élaboration de polymères et réseaux conducteurs ioniques à base 1,2,3-triazolium

Doctorant : Antoine JOURDAIN

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

1,2,3-triazolium (TPILs) impliquant deux réactions successives et orthogonales de cycloaddition azoture-alcyne catalysée par le cuivre(I) et de N-alkylation des intermédiaires 1,2,3-triazole. Cette séquence réactionnelle permet d’élaborer des monomères liquides ioniques d’une vaste diversité de structure et de fonctions polymérisables mais également de modifier chimiquement des polymères de manière quantitative. En tirant parti des avantages de la chimie des 1,2,3-triazoliums, trois nouveaux TPILs ont été développés par des méthodes de synthèse originales.Le premier chapitre propose deux nouvelles classes de TPILs linéaires élaborés selon deux approches distinctes. La première consiste en la polymérisation AA+BB d’un monomère 1,2,3-triazolium diol synthétique avec quatre diisocyantes commerciaux pour obtenir des polyuréthanes. La seconde repose sur la modification chimique post- polymérisation d’un polysiloxane neutre fonctionnalisé thiol par greffage thiol-ène d’un liquide ionique à base 1,2,3-triazolium possédant un groupement vinylique. Ce premier exemple de TPIL à base polysiloxane possède des propriétés de conductivités ioniques remarquables.Le deuxième chapitre présente une littérature exhaustive des différentes voies de synthèses permettant d’élaborer des matériaux poly(liquides ioniques) (PILs) réticulés. Cette étude est divisée en trois parties qui distinguent les réseaux PILs obtenus par polymérisation en chaine, polymérisation par étapes et réticulation post-polymérisation. Ces matériaux sont également différenciés selon leurs microstructure (membranes denses, poreuses, gélifiées et colloïdes) et leurs applications (électrolytes solide, absorption et stockage du CO2, catalyse…).Le troisième chapitre propose une nouvelle voie d’accès à des PILs réticulés. Il traite de la synthèse d’un monomère diépoxy liquide ionique 1,2,3-triazolium puis de son homopolymérisation par ouverture de cycle cationique. Les cinétiques de polymérisation et la détermination des propriétés physicochimiques du réseau sont comparées à un analogue structural ne possédant pas de groupement liquide ionique. Cette nouvelle stratégie permet d’obtenir des matériaux de haute conductivité ionique sans l’usage de co-monomères.

 

Camille, Hugo et Corina sont trois étudiants du département science et génie des matériaux (SGM) de l’INSA Lyon. Dans le cadre de leurs projets de fin d’études, ils vont accompagner trois petites et moyennes entreprises à haut potentiel de développement technologique dans un contexte de relance économique post-confinement. Focus sur une démarche solidaire initiée par le département et le laboratoire IMP¹.

Période de reprise économique oblige, le laboratoire IMP et le département SGM de l’INSA Lyon ont réfléchi ensemble à la poursuite des activités partenariales de recherche, développement et innovation (R&DI) avec les entreprises, fortement impactées par les mesures prises pour lutter contre la pandémie. « En temps normal à l’INSA Lyon, il y a beaucoup de projets de fin d’études en lien avec les industriels, grâce à des petits contrats permettant de couvrir les frais nécessaires à l’aboutissement du projet. Cependant, la reprise post-confinement a fait naître beaucoup d’inquiétudes sur la R&DI, notamment pour les petites et moyennes entreprises. Bien souvent, l’option choisie est d’abandonner l’innovation pour résoudre des problèmes de trésorerie », explique Jean-François Gérard, professeur au département SGM et vice-président du pôle de compétitivité AXELERA. 

Face à constat critique, le département SGM et le laboratoire IMP ont décidé de soutenir et d'accompagner les travaux de R&DI de trois petites entreprises dont le contexte économique a bouleversé les démarches d’innovation, sans leur demander d’engagement financier. Une initiative solidaire est proposée aux étudiants de 5^e année du département science et génie des matériaux dans le cadre de leurs projets de fin d'études, qui prennent la forme de projets individuels d'initiation à la recherche dans ce département et se déroulent de la mi-septembre 2020 à la mi-mars 2021. 

Camille, Corina et Hugo sont séduits. « L’occasion de travailler aux côtés d’une entreprise à haut potentiel de développement technologique m’a attiré. Je n’ai pas pu réaliser de stage l’an dernier à cause de la situation sanitaire, j’attends beaucoup de ce PFE », indique Hugo Boufouchk. Enthousiaste, l’élève va travailler plusieurs mois avec la start-up Laclarée sur la conception de lunettes adaptives, et plus précisément sur le sujet d’optimisation de l’indice de réfraction d’un matériau pour verre de correction ophtalmique. Camille Godinot, et Corina Lanovaia parient, elles, sur l’avenir. Camille va collaborer avec une start-up en cours de création, Quiet, et s’intéresser aux différentes propriétés du silicone. « C’est un matériau qui est beaucoup utilisé dans le domaine du biomédical, domaine qui m’intéresse beaucoup, notamment sur les problématiques de biocompatibilité et ingénierie tissulaire. Je suis très contente de faire mon PFE sur un sujet concret, avec une entreprise en plus en cours de création ! », partage la future ingénieure. Corina, elle, s’apprête à accompagner une PME en pleine expansion, Lavoisier Composites, sur des problématiques de valorisation de sous-produits issus de la production de l’industrie de matériaux composites. Elle espère, une fois diplômée, travailler sur des matériaux haute performance pour diverses applications dans les domaines de l’aéronautique, de l’automobile ou du luxe. « J’ai choisi de travailler avec Lavoisier Composites parce que c’est l’opportunité pour moi d’obtenir une première expérience de travail avec les matériaux composites de haute performance. Et l’idée de participer à l’extension d’une start-up est très valorisante », précise-t-elle.

Pour les trois entreprises bénéficiaires de cette démarche, l’innovation est fondamentale à leur existence sur le marché, comme l’explique Guillaume Loiseau, co-fondateur de Lavoisier Composites. « Nous consacrons la quasi intégralité de notre temps au développement de nouveaux matériaux. Sans ce PFE, nous aurions dû reporter ce développement et nous aurions certainement moins appris. En ces temps si particuliers où le monde se réinvente, l’innovation collaborative est primordiale pour anticiper les évolutions de la société. »

Pour le département SGM, l’enjeu est important. D’autres actions de soutien aux TPE, PME et start-up seront prochainement engagées, notamment dans le cadre de projets collectifs. « Dans le contexte sanitaire et économique actuel, nous nous inquiétions de perdre le lien avec l'entreprise qui est clé pour la formation et l'insertion professionnelle de nos élèves, grâce à des projets comme les PFE, les projets collectifs ou encore les stages. Cette démarche est aussi un moyen d'engager nos élèves et le département dans une démarche de solidarité vis-à-vis des entreprises, notamment les plus fragiles », conclut Frédéric Lortie, directeur adjoint du département SGM de l’INSA Lyon. 

 

^[1] Ingénierie des Matériaux Polymères (INSA Lyon/UdL/CNRS)

New types of functional nanocarriers by nanoprecipitation

Doctorant : Ricardo ALMEIDA NEVES SAMPAYO RAMOS

Laboratoire INSA : IMP
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

The nanoprecipitation technique is a reliable route to synthesize oil filled nanocapsules with shells made of hydrophilic polymers such as polysaccharides and vinyl based glycopolymers in a one pot procedure.
Thanks to their biocompatibility, biodegradability and tunable biological activity, proteins are another promising class of materials for encapsulation purposes. However, the generation of proteinaceous nanocapsules by nanoprecipitation has never been reported. In this context, the main objective of this PhD was to evaluate the potential of a family of proteins, the Suckerins, in nanoprecipitation processes. Suckerins are a family of proteins found in the sucker ring teeth of the giant Humboltd squid with promising biomedical applications. These proteins possess a modular, block copolymer like structure capable of forming β-sheets responsible for good mechanical properties.
The suckerin proteins are not soluble at a pH range between 5 and 10, a requirement of the nanoprecipitation technique. However, they can be solubilized using aqueous buffers at pH 3 containing acetic acid. Other ways of precipitating the protein were explored in this manuscript with salt shifting using APS as coacervation agents being capable of generating 100 nm nanoparticles. These nanoparticles presented the β sheet secondary structure which resulted in Young modulus in the GPa range.
A fusion protein that could be solubilized in aqueous solutions at pH 7, and therefore be used in the nanoprecipitration process, was recombinantly produced. The protein (suckerin silk) is formed by a central squid suckerin-derived peptide block that provides structural stability and both termini from silk fibroins that make the modular protein highly soluble at physiological pH. This molecular design allowed the fabrication of hexadecane and miglyol filled nanocapsules with suckerin silk shells and sizes in the range 190 – 250 nm.
Finally, aiming to encapsulate an anti cancer drug in glycogen nanocapsules we developed a protocol where the nanoprecipitation process is used to generate glycogen coated prodrug nanoparticles.

Élaboration et mise en forme de matériaux polymères multicouches/multiphasés recyclés : Relation structure-propriétés- procédés propres

Doctorante : Geraldine Cabrera Alvino

Laboratoire INSA : IMP
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans un contexte d’économie circulaire, les premiers travaux de la thèse ont été consacrés à l’étude de l’aptitude à la mise en forme de films souples recyclés provenant de déchets agricoles d’enrubannage et d’horticulture. Ces multi-films contiennent initialement un additif conférant au produit final un caractère collant. Lors de leur recyclage, cet additif est toujours présent et migre à la surface. Un accent particulier a été dédié à la compréhension et l’étude des mécanismes de migration de cet additif en fonction de l’architecture moléculaire des polyéthylènes utilisés ayant des taux de branchements différents. Pour ce faire, des mélanges modèles, avec ou sans charges minérales, ont été élaborés. Outre des études morphologiques et microstructurales, des méthodologies expérimentales originales ont été mises en place pour étudier la cinétique de migration/diffusion avec des dispositifs tribo-rhéométriques et de suivi du ‘tack’ en surface des films. Quant au comportement rhéologique en cisaillement et en élongation, il est influencé par la présence de cet additif. La deuxième partie de cette étude a été consacrée à l’appréhension des réalités de l’activité du recyclage d’autres multi-films souples à base de polypropylène et polyéthylène. Compte tenu de la complexité de ces gisements, nous avons choisi d’étudier des mélanges modèles équivalents en leur associant des compatibilisants de nature physique. L’influence de ces derniers sur les propriétés rhéologiques, morphologiques et mécaniques a été ensuite évaluée. Cette étude a été ensuite transposée à des systèmes multiphasés post usage. Les derniers travaux ont été dédiés à une approche prospective. Il s’agit d’aller de l’éco-design à l’élaboration de multi-micro/nanocouches facilement recyclables. L’originalité de cette étude consiste à limiter le nombre de constituants, à réduire/contrôler les épaisseurs des couches et éviter l’utilisation des couches de liants et/ou barrières. Enfin, leurs propriétés rhéologiques, morphologiques et mécaniques ont été évaluées en fonction des cycles de recyclage mécanique.

Compréhension des interfaces / interphases formées dans les composites réalisés à partir de mèches comélées et retordues – PPS / fibres de carbone et PPS / fibres de basalte

Doctorant : Baptiste GAUMOND

Laboratoire INSA : IMP
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Ces travaux de thèse sont consacrés à la compréhension des relations structures- propriétés des matériaux composites réalisés à partir de mèches hybrides composées de la matrice thermoplastique, le polysulfure de phénylène et de renfort qui peuvent être soit du carbone soit du basalte. Plusieurs axes de recherche ont été approfondis dans ces travaux : i) l’impact des procédés de fabrication des mèches sur les propriétés finales des composites, ii) la compréhension des interactions fibres-matrice dans les systèmes étudiés et iii) l’optimisation de ces interactions à l’interphase. Ces travaux ont démontré le lien établi entre les propriétés mécaniques et structurelles des mèches hybrides et les propriétés finales des matériaux composites obtenus. Le procédé de comélage par air conditionne en partie les propriétés finales des composites en diminuant les propriétés mécaniques des fibres de renfort. Cette dégradation n’est pas observée pour le procédé de retordage. Dans le même temps, les composites obtenus par comélage sont de meilleure qualité en termes d’homogénéité, propriétés mécaniques et taux de porosité par rapport à ceux issus du procédé de retordage. Dans un second temps, l’adhérence de l’ensemble des systèmes étudiés a été évaluée à l’échelle micromécanique et corrélée à l’échelle macroscopique. Des essais de vieillissement accélérés ont également été conduits pour discriminer les solutions les plus durables. Une dernière partie de ces travaux est consacrée à l’optimisation des propriétés interfaciales des systèmes étudiés. Les deux voies explorées ont donné des résultats intéressants :  l’utilisation  d’un mélange polymère PPS / PE-EMA-GMA a permis d’améliorer jusqu’à 56 % l’IFSS avec les fibres de basalte et l’utilisation d’un sel imidazolium en tant qu’agent interfacial dans la matrice a permis d’améliorer de 25 % l’IFSS obtenu avec les fibres de carbone.

 

Jean-Pierre Pascault, Professeur Emérite à l’INSA Lyon, Commandeur dans l’ordre des Palmes Académiques, s’est éteint ce samedi 4 avril 2020. 

C’est à son établissement qu’il a consacré une grande partie de sa vie en contribuant à la fois à la qualité, désormais reconnue, de la formation des ingénieurs INSA et à faire de l’école un grand centre de recherches. C’est en effet après avoir obtenu son diplôme d’ingénieur chimiste en 1965 puis un doctorat ès sciences sur la polymérisation anionique, qu’il l’a rejoint, dès 1966 comme assistant et en 1972 comme maître-assistant et enfin comme professeur des universités en 1983, et s’est investi pour faire ce qu’est l’INSA Lyon d’aujourd’hui. Fortement attaché à son établissement, il s’est toujours impliqué dans sa vie collective et son animation ayant été successivement membre élu de son conseil d’administration (1976-1980) et de son conseil scientifique (1982-1986). Attaché à la transmission des connaissances au plus près des derniers développements de la science mais aussi des préoccupations applicatives avec de forts liens avec l’industrie, il a construit une véritable école des polymères de Lyon avec de réelles spécificités reconnues nationalement et internationalement. La recherche ne pouvait être dissociée de la formation qu’il a marquée au sein des successifs départements ‘Matériaux’ de l’INSA Lyon et par ses enseignements en DEA puis master du site mais aussi dans le cadre de la commission pédagogique du GFP (groupement français d’études & d’applications des polymères, société savante dans le domaine des polymères) dont il a été le président de 2001 à 2004. 

C’est un grand scientifique, passionné, rigoureux, inventif, peu attaché aux honneurs qu’était Jean-Pierre Pascault. Chercheur internationalement reconnu, il a apporté des contributions significatives dans de nombreux champs de la science des polymères : chimies macromoléculaires notamment celles des réseaux polymère, polymères dynamiques, design de morphologies à toutes échelles par la maîtrise de processus chimiques et thermodynamiques, mise en situation dans les procédés d’élaboration et mise en forme, utilisation de composés biosourcés… Tous ses travaux fondamentaux n’ont jamais été guidés par la recherche d’une mise en lumière qui n’aurait pas été justifiée par de réelles avancées applicatives, en particulier transposables en milieu industriel. Tout en ayant publié plus de 350 publications, deux ouvrages de référence et près de 300 communications, il est ainsi auteur de 50 brevets. Cette recherche, il a aimé la faire en particulier avec les 60 doctorants qu’il a encadré et auxquels il a beaucoup donné, à la fois en les guidant au jour le jour dans leurs travaux avec une grande attention, veillant à la qualité, à l’inventivité et à la rigueur de ces derniers mais aussi en leur offrant une proximité qui a fait que beaucoup d’entre eux ne sont pas de simples anciens docteurs mais sont devenus ses amis. Comme pour son établissement et la formation, Jean-Pierre Pascault s’est attaché tout au long de sa vie à construire l’environnement le plus favorable pour les chercheurs et faire vivre la vie scientifique collective. Élu au comité national de la recherche scientifique (CoNRS) pour deux mandats (1980-1986 et 1990-1994) mais aussi au conseil national des universités (CNU S33) de 2000 à 2003, il a porté avec une voix particulière faite de bienveillance et d’exigence, la défense d’une conception de la science au sein de laquelle chaque chercheur, avec ses approches et domaines particuliers, puisse y trouver sa place et s’y épanouir. C’est ainsi qu’il a aussi très tôt, de 1982 à 1992, dirigé l’Unité de recherche associée au CNRS, aujourd’hui l’UMR CNRS 5223 ‘Ingénierie des Matériaux Polymères’ et son antenne à l’INSA Lyon jusqu’en 1997 mais aussi créé la Fédération des Polyméristes Lyonnais (FR 2151) en 2000, structure qui allait servir de base avec son centre commun de RMN à la naissance de la FR Institut de Chimie de Lyon. 

Aujourd’hui, l’unité IMP doit beaucoup à Jean-Pierre Pascault car il contribué, grâce à son rayonnement scientifique attesté par les nombreuses conférences et congrès auxquels il a été invité ou organisé, à construire un laboratoire internationalement reconnu, extrêmement visible à la fois sur ses travaux scientifiques mais aussi sur son positionnement avec le milieu des entreprises. C’est l’identité même de l’unité qu’on lui doit, faite de recherches originales, d’une organisation spécifique et de cette proximité avec l’Industrie mais aussi une manière de faire de la recherche au sein d’un collectif fort et passionné. Les entreprises, grands groupes mais aussi et surtout PME et PMI, ont aujourd’hui perdu un grand soutien et collaborateur au sein de la communauté académique car Jean-Pierre Pascault a toujours défendu que participer à résoudre des problématiques technologiques pouvait permettre de s’engager sur des questions scientifiques originales. Nombre d’entreprises ont travaillé avec lui sur de grands projets qui ont abouti à développer de nouveaux produits mais aussi à s’engager, grâce à son pouvoir de conviction, dans de nouvelles activités. C’est ainsi qu’il s’était fortement impliqué et était encore très récemment extrêmement actif auprès des pôles de compétitivité qui portent le tissu des entreprises de la plasturgie et des textile techniques au sein de leurs conseils scientifiques, soucieux de défendre les projets que portaient ces derniers. On ne saurait aussi parler de Jean-Pierre Pascault sans revenir sur les relations internationales qu’il a généré grâce à la renommée de ses travaux mais aussi de sa propension à découvrir d’autres pratiques pour faire la Science et à nouer des liens avec d’autres chercheurs qui sont pour la plupart devenus des amis très proches. Ces liens forts et pérennes à travers les décennies, il a su les offrir aux plus jeunes chercheurs pour qu’eux aussi s’enrichissent d’autres cultures. Les nombreuses collaborations d’aujourd’hui, certaines concrétisées sous la forme de réseaux reconnus et actifs, ou d’implications dans des sociétés savantes internationales, notamment européennes, sont pour l’essentiel issues de son engagement dans ce partage. La communauté scientifique des polymères à travers l’Europe et plus largement dans le Monde, a perdu un chercheur apprécié de toutes et tous et un grand ami. 

Jean-François Gérard, enseignant-chercheur de l’INSA Lyon

Poursuivre et pérenniser les échanges autour de la polymérisation sous rayonnement.

Au programme : 

• La polymérisation sous rayonnement UV-Visible et haute énergie (plasma, e-beam, γ, RX, Switch Heavy Ions…)
• Les procédés, notamment les technologies LED et la fabrication additive
• Les matériaux et les relations structures-propriétés-applications.

Nouveauté ! PolyRay 2020 propose de participer à un short-course (programme pédagogique destiné aux ingénieurs, techniciens, doctorants et chercheurs) avant le démarrage du colloque.

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Le colloque PolyRay 2020 sera organisé conjointement par l’Association PolyRay, le Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux Polymères (IMP) de l’INSA Lyon et les sociétés Elkem et Ionisos, en partenariat avec le GFP à l’occasion de ‘2020 : Une année ‘Polymère’ et le GFP 50 ans’.

Partir de l’effet Ouzo pour conclure sur l’importance de la carbonatation de l’eau dans les émulsions : c’est toute la réflexion qui a propulsé l’un de nos chercheurs INSA sur le devant de la scène. Retour sur une croisade scientifique qui a déjà fait l’objet de deux publications.

Quel est le lien entre François Ganachaud, chercheur au laboratoire IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères à l’INSA Lyon, et le Pastis ? Et bien, c’est l’effet Ouzo ! Ou l’effet Pastis pour les plus chauvins. C’est plus précisément le phénomène selon lequel une émulsion se forme spontanément lorsqu’on verse de l’eau dans un Pastis : l’alcool se dilue dans l’eau, la boisson se trouble et prend sa fameuse coloration laiteuse. Mais ce qui intéresse les scientifiques, c’est la partie cachée de l’iceberg. En effet, dans le pastis, il y a certes beaucoup d’alcool mais aussi une petite quantité d’anéthol, l’huile essentielle extraite de l’anis. Or, si l’alcool peut se mélanger à l’eau et à l’huile, en revanche, l’eau et l’huile, elles ne se mélangent pas, elles sont « non miscibles ».

« Pour se séparer de l’eau, l’huile ne démixe pas comme une vinaigrette par exemple, mais elle se disperse en gouttelettes qui se forment spontanément et restent en suspension dans l’ensemble du mélange eau/alcool. On génère une émulsion, ce qui donne à la boisson son aspect laiteux » explique François Ganachaud.

Les mélanges eau/huile/alcool ainsi étudiés et l’observation de ces micro-émulsions spontanées ouvrent de nouveaux horizons dans de nombreuses applications, dans le domaine de la pharmacie ou des cosmétiques par exemple.

De l’effet Ouzo aux interfaces avec l’eau
C’est lors de l’étude de ce procédé que François Ganachaud a poussé plus loin la réflexion, l’amenant à participer à un débat vieux de quarante ans.  

« C’est une bagarre qui ne cesse de durer dans la communauté des physico-chimistes : la charge négative que l’on observe systématiquement aux interfaces entre l’eau et les composés hydrophobes » explique le chercheur.

Par « hydrophobe », comprenez « que l’eau ne mouille pas ». C’est par exemple l’huile, l’air, les lipides ou les polymères.

« C’est pour ça que la plupart des surfaces qui nous entourent (peau, cheveux, tissus, papier…) sont chargées négativement, mais on ne sait pas vraiment à cause de quoi » précise François Ganachaud. « Dans cette histoire, nous nous sommes intéressés à la chimie de l’eau, souvent très simplifiée. En particulier, dans l’eau, il y a des ions bicarbonates qui résultent de la carbonatation de l’eau et qui s’avèrent jouer un rôle plus important que l’on aurait pensé de prime abord. En effet, avec des chercheurs de plusieurs laboratoires*, nous avons découvert que la charge négative évoquée provenait de l’adsorption préférentielle de ces ions bicarbonates sur les surfaces. »

La fin de la bataille et le début de l’histoire ?
En allant à l’encontre de certaines croyances, François Ganachaud avoue qu’il s’attendait, à la publication de cette découverte il y a un an, à quelques droits de réponses bien sentis. Quelques mois plus tard et après une seconde publication sur le sujet, la découverte semble bénéficier d’une forme d’adhésion de la communauté scientifique.

« C’est une vision différente qui ouvre de nouvelles voies. On a par exemple compris comment se formait une émulsion dans un mélange huile/eau soumis à des cycles de gel et de dégel. Lors de la congélation, le dioxyde de carbone présent dans l’air est piégé avant de se transformer en ions bicarbonates, et les gouttelettes d’huile sont stabilisées par ces ions en se collant à leur surface. On imagine que la transformation de CO2 en bicarbonates par congélation de l’eau pourrait intéresser d’autres domaines d’études comme l’océanographie, notamment l’étude de la capture du CO2 par les océans aux pôles terrestres » conclut le chercheur.

 

Publications
X. Yan, A. Stocco, J. Bernard, F. Ganachaud
Freeze/Thaw-Induced Carbon Dioxide Trapping Promotes Emulsification of Oil in Water
Journal of Physical Chemical Letters – Octobre 2018
DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b02919
 
X. Yan, M. Delgado, J. Aubry, O. Gribelin, A. Stocco, F. Boisson-Da Cruz, J. Bernard et F. Ganachaud
Central Role of Bicarbonate Anions in Charging Water/Hydrophobic Interfaces
Journal of Physical Chemistry Letters – Décembre 2017
DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02993

Photo (de gauche à droite) : Julien Bernard et François Ganachaud, chercheurs à l’IMP de l’INSA Lyon