Chimie-physique

L’environnement, le climat et l’énergie sont au cœur des préoccupations actuelles. Le déploiement des technologies d’électrolyses à grande échelle pour la production d’hydrogène vert par dissociation de l’eau ou la réduction du CO₂ par exemple, nécessite de diminuer drastiquement la quantité de métaux utilisés comme catalyseurs tout en maintenant une activité suffisante et une bonne stabilité. Notre innovation repose sur la (sub)nanostructuration de catalyseurs à base de métaux ou d’oxydes de métaux dans un film de polymère fonctionnalisé grâce à un procédé électrochimique simple et polyvalent conduisant à de nouveaux matériaux d’électrodes stables et performants pour l’électrocatalyse. La très petite taille des particules de métaux ou d’oxydes de métaux, nanométrique ou sub-nanométrique (clusters), bien dispersées dans le film de polymère conduit à une grande surface active pour la catalyse associée une faible quantité de métaux. Par ailleurs, la membrane de polymère fonctionnalisée permet de protéger les clusters ou nanoparticules métalliques des phénomènes de corrosion et d’agrégation. En outre, les matériaux sont directement électrogénérés à la surface de l’électrode en quantité et épaisseur contrôlées dans des conditions douces.

Cette approche électrochimique simple et polyvalente offre de nombreuses possibilités aussi bien dans la composition du système catalyseur/matrice de polymère que dans la diversité des réactions catalytiques possibles. Elle ouvre ainsi des perspectives au niveau de la recherche fondamentale et appliquée. Des matériaux d’anodes performants et stables pour l’oxydation électrocatalytique de l’eau en oxygène (OER) à base d’oxydes de nickel, de cobalt et de fer ainsi que des oxydes mixtes de ces métaux ont été obtenus dans le cadre de la thèse de Baptiste Dautreppe (lauréat du Concours national i-PhD 2022) dirigée par Marie-Noëlle Collomb et Jérôme Fortage. L’envie d’entreprendre de Baptiste, associée à celle de deux jeunes Docteurs en Chimie du laboratoire, Richard Barré et Damien Mouchel, les a conduit à s’investir dans la valorisation de ces résultats prometteurs en développant ce type matériaux pour l’électrochloration dédiée à la désinfection des eaux (oxydation des ions chlorures en eau de javel). Nous avons ainsi été lauréats du 11ème Challenge Out of Lab’s et d’un projet Maturation de la Satt Linksium de Grenoble (projet FuelSea, 2022-2023). Ces travaux ont bénéficié d’un soutien financier supplémentaire de la région Auvergne-Rhône-Alpes (DocTT’Aura) et de l’Université Grenoble Alpes via Arcane. Le projet FuelSea est actuellement en phase d’incubation afin de créer une start-up début 2024 qui sera co-fondée par les trois jeunes Docteurs de l’UGA, lauréats du concours innovation i-Lab 2023.

Marie-Noëlle Collomb est Directrice de Recherche au CNRS et membre de l’équipe « Electrochimie Moléculaire et Photochimie Redox (EMPRe) » au sein du Département de Chimie Moléculaire (DCM) de l’Université Grenoble Alpes (UGA). Après l’obtention de son doctorat en chimie en 1993 à l’UGA, dédié à la réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone avec des complexes moléculaires sous la direction du Dr Alain Deronzier et une année de stage postdoctoral dans l’équipe du Professeur Marc Fontecave à l’UGA, elle a rejoint le CNRS en 1994 en tant que chargée de recherche et a été promue Directrice de Recherche en 2007. En 1998-1999, elle a été associée de recherche au CNRS dans les groupes des Professeurs Robert H. Crabtree et Gary W. Brudvig à l’Université de Yale (USA). Ces recherches actuelles s’inscrivent dans le domaine de la photosynthèse artificielle avec l‘activation de petites molécules par voie photo et électrochimique pour l’énergie et la production de combustibles solaires.

Jérôme Fortage a obtenu son doctorat en chimie organique en 2006, sous la direction du Dr. Fabrice Odobel à l’Université de Nantes, sur le développement de photosensibilisateurs moléculaires pour la conception de photosystèmes artificiels et de nouveaux dispositifs photovoltaïques, puis a effectué deux stages post-doctoraux dans le domaine de la photochimie moléculaire à l’Université de Newcastle (UK, 2007) dans le groupe du Professeur Andrew Benniston, et à l’Université Paris Descartes (2008-2010) sous la supervision du Dr. Philippe Lainé. En octobre 2010, il est recruté Chargé de Recherche au CNRS au sein du DCM de l’UGA. Membre de l’équipe EMPRe, il s’intéresse actuellement au développement de systèmes moléculaires ou hybrides (moléculaire/inorganique) pour la dissociation électro- ou photo-catalytiques de l’eau en O₂ et H₂, et pour la réduction du CO₂ en produits valorisables par l’industrie (i.e. CO, HCOOH).

Baptiste Dautreppe est titulaire du grade de docteur de chimie inorganique et bio-inorganique de l’UGA. Il a obtenu son doctorat en 2022 sous la supervision de Marie-Noëlle Collomb et Jérôme Fortage au sein de l’équipe EMPRe du DCM. Ses travaux de recherches étaient centrés sur le développement de matériaux composites polymères/oxydes de métaux non nobles pour l’électrooxydation de l’eau. Il a été lauréat du concours national iPhD 2022 pour la valorisation de ces travaux de thèse.

Richard Barré a obtenu son doctorat en 2022 sous la supervision du Pr. Fabrice Thomas et du Dr. Jennifer K. Molloy au sein de l’équipe « Chimie Inorganique Redox (CIRe) » du DCM de l’UGA. Sa thèse a porté sur le développement de nouveaux agents de contrastes gadolinés pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Richard a conduit des travaux orignaux en synthétisant des nouveaux ligands rédox actifs radicalaires ou pro-radicalaires dans le but de détecter par IRM des marqueurs du stress oxydant comme les radicaux hydroxyles ou le potentiel rédox cellulaire.

Damien Mouchel dit Leguerrier a obtenu son doctorat en 2022 sous la supervision du Pr. Fabrice Thomas et du Dr. Jennifer K. Molloy au sein de l’équipe CIRe du DCM de l’UGA. Ses travaux de thèse ont porté sur la synthèse d’agents de contraste rédox-actifs pour l’imagerie médicale. Dans cette optique, Damien a pu mettre au point des agents de contraste à base de lanthanides et de ligands non innocents répondant spécifiquement au stress oxydant.

Depuis mai 2022, Baptiste, Damien et Richard sont co-porteurs du projet maturation FuelSea, actuellement en phase d’incubation, et occupent les postes de post-doctorants au sein de l’équipe EMPRe du DCM. Ces trois jeunes Docteurs sont également accompagnés dans leur démarche entrepreneuriale par la région Auvergne Rhône Alpes grâce au dispositif DocTT’Aura en partenariat avec la Satt Linksium. Baptiste, Richard et Damien sont co-fondateurs de la start-up FuelSea qui sera créée en janvier 2024 où ils se projettent en tant que futur CTO (Chief Technical Officer), CIO (Chief Innovation Officer) et CEO (Chief Executive Officer).

Gabriel Loget est un chercheur du CNRS qui travaille dans les domaines de l’électrochimie et de la science des matériaux. Il a obtenu son doctorat en chimie physique à l’Université de Bordeaux. En 2012, il a reçu la médaille d’argent du Prix européen jeune chimiste (EuChemS). Il a ensuite effectué un stage postdoctoral à l’université de Californie, Irvine. En 2014, il a reçu une bourse postdoctorale Alexander-von-Humboldt pour mener ses recherches à la Friedrich-Alexander Universität, Erlangen-Nürnberg. En 2015, il a rejoint le CNRS à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes. Il est actuellement chercheur invité à Forschungszentrum Jülich et rejoindra en 2024 l’Institut des Sciences Moléculaires de Bordeaux. Ses domaines d’intérêt actuels sont la conversion d’énergie photoélectrochimique pour l’énergie et la chimie analytique.

Neso Sojic est professeur à Bordeaux INP et effectue ses travaux de recherche au sein de l’Institut des Sciences Moléculaires. Après des études universitaires à Paris, il a obtenu une thèse de doctorat en électrochimie à l’Ecole Normale Supérieure. Il a effectué un stage post-doctoral à l’Université du Texas à Dallas puis a été recruté en tant que maître de conférences à Bordeaux en 1998. Ses activités de recherches sont pluridisciplinaires, par nature, puisque se situant aux confluents de l’électrochimie, de la luminescence et de la microscopie avec des applications en biologie. Ses travaux en électrochimiluminescence ont pour point commun de combiner les techniques et les concepts de l’électrochimie et de l’imagerie afin de développer de nouveaux outils et des approches originales dans le domaine de la physico-chimie analytique.

Marc Robert est Professeur de Chimie de classe exceptionnelle à l’Université Paris Cité.

Membre junior de l’Institut Universitaire de France de 2007 à 2012, puis membre Senior depuis 2017, il dirige une équipe au Laboratoire d’Electrochimie Moléculaire (UMR CNRS 7591). Auteur de plus de 170 articles, il est co-inventeur de 9 brevets et co-fondateur d’une start-up (Carbonéo), et a donné plus de 200 conférences invitées.

M. Robert développe des travaux fondamentaux dans le domaine de la chimie des transferts d’électron, notamment les transferts d’électrons dissociatifs et la couplage électron-proton, en combinant des approches électrochimiques mais également photochimiques. Au-delà des aspects mécanistiques, ces travaux trouvent des applications dans le domaine de l’activation des petites molécules pour la conversion et le stockage de l’énergie. Depuis 2012, ses travaux se sont ainsi concentrés sur la réduction catalytique du CO₂ en carburants par électrochimie et photochimie avec des extensions récentes à l’activation de l’azote et à des réactions de couplage, par exemple pour la création de liaisons C-N.

Parmi divers prix et distinctions, il a été Research Fellow de la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS, 2015), il a reçu le premier prix international Essential Molecules Challenge décerné par la société Air Liquide en 2016 ainsi que le prix Recherche Chimie et Energie de la Société Chimique de France (2019). Il est membre des comités éditoriaux internationaux de plusieurs journaux, ChemSusChem, ChemPhysChem et Angewandte Chemie International Edition.

En Mai 2022, il a été reconduit pour cinq ans comme Membre Senior de l’Institut Universitaire de France sur une Chaire Innovation.

Elève de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, Cyrille Costentin a effectué sa thèse sur l’étude des mécanismes des réactions S_RN1 sous la direction de J-M. Savéant et P. Hapiot à l’Université Paris Diderot (1997-2000), puis un stage postdoctoral à l’Université de Rochester (2001). Il est ensuite recruté Maître de Conférences au Laboratoire d’Electrochimie Moléculaire de l’Université Paris Diderot où il travaille en étroite collaboration avec J-M. Savéant et M. Robert et est nommé Professeur en 2007. De 2016 à 2019, il est Visiting Scholar à l’Université de Harvard dans le groupe de D. Nocera. Depuis 2019, il est en délégation au Département de Chimie Moléculaire (DCM) de l’Université de Grenoble Alpes où il est nommé Professeur par mutation en 2022 et au sein duquel il a contribué à créer une nouvelle équipe « Electrochimie Moléculaire et Photochimie Redox » (EMPRe).

Ses travaux de recherche se situent dans le domaine de la Chimie-Physique et utilisent l’outil électrochimique, d’une part pour mettre à jour des éléments de la réactivité chimique associée au transfert d’électron et d’autre part pour élucider les mécanismes physico-chimiques gouvernant la catalyse de réactions électrochimiques et le stockage de charge. Ces travaux permettent un développement de l’outil électrochimique lui-même, en particulier la voltammétrie cyclique ; ils s’étendent désormais aux processus de photochimie redox. Ses recherches dans le domaine de l’électrochimie moléculaire se sont tout d’abord concentrées sur la description de l’association entre transfert d’électron et coupure de liaison et en particuliers sur le couplage électron-proton. Les concepts développés ont trouvé une application dans le domaine de la catalyse moléculaire de réactions électrochimique et tout particulièrement pour l’activation de petites molécules (réductions de CO₂, O₂ ou N₂O, production de H₂, oxydation de l’eau).

A. Abou-Hassan est président de la Section Île de France de la SCF depuis 2019, co-fondateur de la startup Activ-H et membre junior de l’Institut Universitaire de France à partir d’octobre 2022. 

Je travaille dans le domaine de la chimie théorique et de la modélisation computationnelle. Je m’intéresse aux phénomènes photochimiques et photophysiques dans systèmes moléculaires isolés et environnés. Le défi majeur auquel on doit faire face dans ce domaine est représenté par la complexité des processus hors-équilibre qui se manifestent à l’échelle microscopique dus aux interactions lumière-matière, souvent dans le régime non perturbatif.

Afin de surmonter ce défi, avec les collègues de l’Institut de Chimie Physique et avec des collaborateurs en France et à l’étranger, je développe des approches théoriques et numériques pour traiter en simulation la dynamique ultrarapide des électrons et des noyaux, en prenant en compte les effets des états électroniques excités, dits effets non-adiabatiques. Ces approches combinent techniques de dynamique moléculaire et de structure électronique (modèle et ab initio).

Dans les dernières années je me suis intéressée à réactions de collision atome-molécule en présence de couplage spin-orbite, à réactions photo-induites d’isomérisation dans molécules de rétinal, ou à la dynamique non-adiabatique induite par des champs laser à ondes entretenues.

ENS-Lyon

Olivier Maury est directeur de recherche au CNRS au Laboratoire de Chimie de l’ENS-Lyon (UMR 5182). Il travaille sur la conception de colorants organiques et de complexe de lanthanide luminescents pour l’étude de leurs propriétés spectroscopiques linéaires et non-linéaires en partenariat étroit avec des chimistes théoriciens. Les applications ciblées par ces colorants sont variées vont de l’imagerie profonde et la thérapie, à la limitation optique dans le proche infra-rouge en passant par la cristallisation des protéines. De manière plus fondamentale, nous étudions les processus photophysiques élémentaires (croisement inter-système, sensibilisation des lanthanides, polarisation des orbitales f, effets de symétrie, de modulation et de champ cristallin, corrélation magnétisme-fluorescence…). Ce positionnement à l’interface de la chimie, la physique et la biologie n’est possible que grâce à de nombreuses collaborations transverses.

LCMCP Sorbonne Université, Paris

Ses activités de recherche se situent dans le domaine des nanosciences, à l’interface entre la chimie et la physique de la matière condensée. Il combine de procédés « chimiques » (sol-gel, dépôt liquide, auto-assemblage, synthèse en solution de nanoparticules, etc.) et « physiques » (techniques de lithographie et de microfabrication) pour la nanofabrication de matériaux inorganiques et de Metal-Organic Frameworks pour des applications dans les domaines de la photonique et de l’électrocatalyse.

Ce couplage permet de bénéficier des avantages des deux approches pour obtenir des dispositifs multi-échelles et multi-fonctionnels. Un autre axe majeur de ses recherches concerne l’étude de la réactivité et de l’évolution des matériaux par spectroscopie optique in situ. Pour ce faire, il contribue au sein de son laboratoire au développement d’une plateforme d’outils spectroscopiques tels que l’ellipsométrie UV-Vis, l’ellipsométrie IR et la microscopie hyperspectrale équipée de chambres environnementales pour caractériser de façon dynamique les nanomatériaux.

CEISAM, Université de Nantes

Mes travaux de recherche ont pour objectif de développer de nouvelles méthodes de spectroscopie de RMN, afin d’accéder à de nouvelles informations sur les mélanges hors équilibre, et de permettre de nouvelles applications. La RMN présente plusieurs avantages pour l’analyse de mélanges, mais elle fait face également à un certain nombre de défis, tels que la complexité des spectres de mélanges, la durée des expériences RMN multidimensionnelles, et la sensibilité de la méthode.

Nous tentons de répondre à ces défis, et ces dernières années j’ai par exemple contribué au développement de la RMN diffusionnelle ultrarapide (UF DOSY), qui permet, en moins d’une seconde, de séparer les spectres RMN des composés d’un mélange, sans séparation des composés eux-mêmes. Nos travaux ont ainsi permis d’accroitre l’information structurale obtenue par cette méthode, de travailler dans des solvants organiques, de rendre plus performante la séparation des spectres, et d’analyser des substrats hyperpolarisés. Tous ces ingrédients permettent d’avancer vers un suivi plus riche de réactions chimiques, et l’analyse plus complète de mélanges variés.

BIP, Marseille

ISMO, Orsay

La spectrométrie de masse en tandem tient une place centrale en chimie analytique et structurale. Cette technologie consiste à fragmenter des ions d’intérêt pour déduire des informations sur leur structure initiale à partir de l’analyse des profils de fragmentation. La qualité du contenu informatif dépend de la façon d’activer les ions. De nombreux moyens d’activations très différents ont été exploités actuellement. Néanmoins, l’absorption de lumière reste une façon directe de faire absorber de l’énergie aux espèces d’intérêt. Grâce au synchrotron SOLEIL, Alexandre Giuliani, ingénieur de recherche INRA mis à disposition au synchrotron SOLEIL, a identifié la portion du spectre électromagnétique la plus efficace pour générer des fragments et mis au point un nouveau moyen d’activation utilisant des rayonnements dans l’extrême ultraviolet produits par une lampe à décharge. De la lumière pour casser des molécules : ce mode d’activation possède des caractéristiques complémentaires des méthodes classiques pour l’analyse structurale.

Ce prix récompense l’instrumentation développée par Thomas Le Saux, maitre de conférences au laboratoire PASTEUR (département de chimie, ENS Paris), pour la mise en œuvre de la modalité d’imagerie de fluorescence « Speed OPIOM » (« Out-of-Phase Imaging after Optical Modulation »). Speed OPIOM combine une modulation optimisée de l’illumination et une détection synchrone sensible à la phase qui permet de détecter sélectivement et quantitativement des sondes réversiblement photocommutables, tout en s’affranchissant des contributions de fluorophores spectralement interférents ou de la lumière ambiante. Compatible avec la microscopie, la macroscopie et l’endoscopie, Speed OPIOM ouvre la voie pour l’imagerie de fluorescence hautement multiplexée et bénéficiant d’un rapport signal sur bruit élevé, y compris en lumière du jour.

Élève de l’École Normale Supérieure, Vincent Artero a effectué sa thèse sur les dérivés organométalliques de polyoxométallates sous la direction d’Anna Proust à l’Université Pierre et Marie Curie (1996-2000), puis un stage postdoctoral à Aix-la-Chapelle (All.) (2001) avec Ulrich Kölle avant de rejoindre l’équipe de Marc Fontecave à Grenoble comme chercheur CEA. Directeur de recherche CEA au Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (UMR 5249, Université Grenoble Alpes/CNRS/CEA), il y dirige depuis 2016 l’équipe « Solar Fuels, Hydrogen and Catalysis » (SolHyCat).

Ses recherches s’ancrent en chimie bio-inspirée et en photosynthèse artificielle, notamment pour la production ou l’oxydation de l’hydrogène*. S’inspirant de la structure des sites actifs des enzymes hydrogénases, Vincent Artero a développé une série de catalyseurs moléculaires de production d’hydrogène et mobilisé les outils électrochimiques et de chimie théorique pour établir leurs propriétés catalytiques et en étudier les mécanismes. Un second axe de recherche concerne leur immobilisation sur des matériaux d’électrodes nanostructurées, notamment à base de nanotubes de carbone, et a conduit à la découverte d’un matériau bio-inspiré capable de catalyser de manière réversible l’interconversion H+/H2 dans les conditions acides des piles à combustible et électrolyseurs à membranes polymères échangeuses de protons. Enfin, la combinaison de ces catalyseurs avec des motifs photosensibles a conduit au développement d’abord de systèmes photocatalytiques homogènes puis de photocathodes moléculaires, éléments de cellules photo-électrochimiques de production d’hydrogène par décomposition de l’eau.

Ses travaux lui ont valu en 2011 le Grand Prix Mergier-Bourdeix de l’Académie des sciences, et en 2018 le Prix Forcheurs Jean-Marie Lehn conjointement avec Benjamin Dietzek (IPHT, Friedrich Schiller Universität, Jena, All.).
Depuis 2012, Vincent Artero est président du conseil scientifique du Labex Arcane qui promeut la chimie bio-motivée grenobloise, et co-directeur du Groupement de recherche sur les carburants solaires. Depuis janvier 2018, il est éditeur associé de Chemical Science (Royal Society of Chemistry).
*Ces travaux ont fait l’objet de plusieurs articles récents dans nos colonnes. Voir par ex. l’article de N. Queyriaux dans ce numéro (p. XX) et l’article publié dans le numéro spécial « Transition énergétique » : Queyriaux N., Lefebvre J.-F., Artero V., Chavarot-Kerlidou M., L’hydrogène : de la catalyse bioinspirée à la construction de (photo)électrodes moléculaires, L’Act. Chim., 2016, 408-409, p. 51.

Entendre chanter une foule de nanoparticules, ce n’est pas la même chose que d’écouter la voix de chacune d’elles. Pendant une réaction catalysée par des nanoparticules, par exemple, des petites différences de taille, de morphologie, etc. peuvent mener à une grande disparité en termes d’activité. Vu que ces différences sont intrinsèques à la vaste majorité des nanosystèmes, le développement de techniques sensibles à la particule unique devient essentiel pour comprendre dans quelle mesure ces réponses individuelles affectent une réaction chimique globale.

C’est avec cet esprit que Victor Brasiliense a débuté sa thèse « Méthodes opto-électrochimiques pour imager la réactivité de nanoparticules individuelles » sous la direction de Frédéric Kanoufi au Laboratoire ITODYS (Université Paris Diderot/CNRS UMR 7086) et de Gilles Tessier au Laboratoire de Neurophotonique (Université Paris Descartes/CNRS UMR 8250). Ses travaux ont porté sur le développement de techniques capables d’interroger des réactions chimiques à l’échelle de nano-objets uniques. Échappant à des descriptions de champs moyen, il a utilisé une combinaison d’holographie, de spectroscopie et de techniques de nano-électrochimie pour voir réagir des nanoparticules une par une, en temps réel.

Une variété de systèmes chimiques a été étudiée, allant de réactions modèles, telles que l’oxydation de nanoparticules d’argent, à des réactions catalytiques, comme la réduction du dioxygène à la surface de nanoparticules d’oxyde de cobalt. En se plaçant à l’interface de l’électrochimie et de l’optique, il a pu démontrer que cette double vision permet l’étude de problèmes plus complexes, en présence de plusieurs réactions simultanées, d’agrégations et de divers phénomènes de transport.
Actuellement en postdoctorat, il poursuit cette voie de recherche à l’Université de Northwestern (IL, E.-U.), dans le groupe de Richard P. Van Duyne. En utilisant la spectroscopie Raman, en combinaison avec l’électrochimie et des techniques de champs proche, il développe des méthodes capables d’étudier des petits ensembles de molécules catalytiques in operando.

Sophie Carenco a effectué son doctorat à l’interface entre chimie des matériaux et chimie moléculaire dans le Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP, Sorbonne Université) et le Laboratoire Hétéroéléments et Coordination (École Polytechnique), sous la codirection de Clément Sanchez et Nicolas Mézailles. Sa thèse, soutenue en 2011, portait sur une nouvelle voie de synthèse de nanoparticules de phosphures de métaux utilisées en catalyse et comme anodes de batteries lithium. Après un postdoctorat en 2012-2013 au Lawrence Berkeley National Laboratory (CA, E.-U.) sur le suivi de nanoparticules métalliques pendant des réactions catalytiques à l’aide du rayonnement synchrotron, elle est revenue en France en tant que chercheuse contractuelle au Collège de France avant d’être nommée chargée de recherche en 2014 dans l’équipe « Matériaux hybrides et nanomatériaux » au LCMCP.

Ses travaux concernent le développement de matériaux peu (voire jamais) préparés à l’échelle nanométrique (phosphures, oxysulfures, carbures…). Sophie Carenco exploite des techniques permettant le suivi in situ de la réactivité de surface de nanoparticules, notamment au synchrotron SOLEIL (spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X sous pression, spectroscopie d’absorption des rayons X, etc.), illustrant ainsi l’apport essentiel de ces spectroscopies à la compréhension des nanomatériaux et de leurs propriétés*.

Son projet s’inscrit dans la continuité de son activité avec le développement de matériaux à très petite échelle (en particulier les oxysulfures de métaux), leur fonctionnalisation pour contrôler les propriétés de surface et la caractérisation fine in situ de leur réactivité dans des réactions de catalyse, par exemple. Ces études sont conduites dans le cadre d’un projet « Jeune chercheur, jeune chercheuse » de l’ANR (2017-2020) et d’une « Starting Grant » de l’ERC (2018-2022).

Sophie Carenco est co-auteure d’une trentaine d’articles. Ses travaux ont été reconnus par diverses bourses et prix : European Young Chemist Award (2010), Prix de thèse C’Nano (2012), Bourse L’Oréal-UNESCO-Académie des sciences (2014), Médaille de bronze du CNRS (2018).
Par ailleurs, elle participe activement à la vulgarisation des sciences- ainsi qu’à la communication vers le grand public et la société, notamment au travers de l’International Younger Chemists Network ‒ dont fait partie le RJ-SCF ‒ (membre fondatrice et membre du Bureau) et d’autres réseaux de jeunes chercheurs.

*Voir par ex. l’article publié dans le numéro spécial « Transition énergétique » : Carenco S., Observer la surface d’une nanoparticule pendant l’acte catalytique, L’Act. Chim., 2016, 408-409, p. 93.
**Voir son article publié dans le dossier « Comment lutter contre la désinformation scientifique » : Carenco S., Luttons contre la désinformation scientifique, L’Act. Chim., 2018, 429, p. 17.

La chimie bio-inorganique est un domaine en pleine expansion. Elle combine à la fois la recherche fondamentale et appliquée en s’intéressant plus particulièrement aux problèmes sociétaux actuels par une approche interdisciplinaire. Il s’agit de mimer, via des complexes moléculaires modèles, la structure et/ou la fonction du site actif d’une métalloprotéine d’intérêt. C’est dans ce contexte que Deborah Brazzolotto a réalisé sa thèse sur l’activation de petites molécules par des complexes bio-inspirés à liaison métal-thiol au sein du Département de Chimie Moléculaire, sous la direction de Carole Duboc (Directrice de Recherche, CNRS) et de Marcello Gennari (Chargé de Recherche, CNRS).

Les travaux de thèse de Deborah ont consisté en la synthèse et la caractérisation de complexes bio-inspirés contenant des liaisons métal-thiolate avec pour objectif l’activation de petites molécules telles que le dioxygène ou les protons.

Une partie de son travail a consisté à mimer le site actif de l’hydrogénase à NiFe, catalyseur actif pour la production de H₂. En effet, utiliser l’eau comme source de protons est l’une des solutions les plus prometteuses pour le stockage de H2 considéré comme source d’énergie renouvelable potentielle. Cette enzyme hétérodinucléaire de NiFe catalyse la réduction des protons en hydrogène, de manière réversible, avec des performances qui rivalisent celles du platine. Ces enzymes représentent une véritable inspiration pour les chimistes quant à la synthèse de nouveaux catalyseurs à base de métaux non nobles. Dans ce contexte, Deborah a synthétisé et caractérisé (électrochimie, RPE, spectroscopie UV-Visible, spectroscopie infrarouge, diffraction des rayons X), deux complexes hétérodinucléaires de NiFe qui se sont révélés être de bons modèles structuraux et fonctionnels pour la production de H2 de manière catalytique. De plus, deux intermédiaires catalytiques qui reproduisent les propriétés structurales et électroniques de l’état Ni-L et de l’état Ni-R de l’enzyme au cours de son cycle catalytique ont été caractérisés.

D’autre part, l’activation de l’O₂ représente une étape critique dans de nombreux processus biologiques et chimiques. C’est dans ce contexte qu’une autre partie de son travail s’est centrée sur l’activation et la réduction de l’O₂ via des complexes de Mn, au travers d’études spectroscopiques (absorption des rayons X, diffraction des rayons X, électrochimie, absorption UV-visible) combinées à des études de chimie théorique. Elle a montré qu’un complexe dinucléaire de MnII à ligand thiolate était capable de catalyser la réduction de O₂ en présence d’un excès de protons et d’un agent réducteur sacrificiel de manière efficace et sélective pour la formation d’H₂O₂. Elle a également mis en évidence que ce même complexe, en fonction de son état initial de protonation (un ligand thiolate protoné), contrôlait de manière sélective la formation de complexes à haut degré d’oxydation du Mn avec O₂ : un complexe dinucléaire de Mn^IV avec deux ponts oxo vs un complexe dinucléaire de Mn^III à pont hydroxo.

Actuellement, Deborah effectue son premier post-doctorat aux Etats-Unis sous la direction du Professeur Andrew. S. Borovik à l’Université de Californie Irvine. Le laboratoire s’intéresse à comprendre l’effet de la seconde sphère de coordination d’un métal et plus particulièrement les liaisons hydrogènes, dans des complexes bio-inspirés pour stabiliser des intermédiaires contenant des ligands dérivés de l’O₂ (comme O₂^2-, OH^–…). Son travail consiste, par une approche originale, à utiliser une protéine hôte pour promouvoir la formation de liaisons hydrogènes en présence d’un complexe métallique. La protéine hôte utilisée est la streptavidine, connue pour sa haute affinité pour la biotine. Dans ce contexte, elle développe des métalloprotéines artificielles, avec comme objectif la synthèse de nouveaux complexes dinucléaires de Cu en s’intéressant à l’influence de la distance métal-métal ainsi que du réseau de liaisons hydrogènes pour la coordination et l’activation de l’O₂ et de ses dérivés.

Agilio Padua (50 ans) est professeur de classe exceptionnelle à l’Université Clermont Auvergne et membre sénior de l’Institut Universitaire de France.

Sa formation de base est d’ingénieur en génie chimique, de l’Instituto Superior Técnico de Lisbonne, où il a aussi obtenu un doctorat en thermodynamique. Il a été chercheur à l’Imperial College de Londres en 1994-96, avant d’être recruté à l’Université Blaise Pascal de Clermont Ferrand où il a dirigé le Laboratoire de Thermodynamique et Interactions Moléculaires, à présent intégré dans l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand. Il est éditeur du J. Chem. Thermodyn. et a passé l’année 2014-15 en tant que professeur invité au MIT.

Ses recherches se situent dans la thermodynamique moléculaire : comment l’organisation des molécules/ions et leurs forces d’interaction déterminent les propriétés de phases liquides, notamment des phénomènes de solvatation, de transport et aux interfaces. Les objets d’étude sont principalement les liquides ioniques, une nouvelle classe de solvants apparue au XXI siècle, aux propriétés configurables et très prometteurs pour une chimie plus durable. Le concept central de ses recherches est celui de designer liquid: un solvant, électrolyte, lubrifiant, plastifiant, etc., qui est façonné en vue de propriétés précises. La conception de milieux liquides est abordée avec une logique de science des matériaux: en partant d’une compréhension physico-chimique des interactions et de l’organisation moléculaires, cette stratégie vise à établir des relations structure-propriétés pour un design rationnel de milieux ou de composants liquides dans des applications en procédés chimiques durables ou dans des dispositifs. Ce n’est que depuis peu que sont disponibles des méthodes théoriques performantes et capables de restituer fidèlement les interactions subtiles qui déterminent les propriétés structurelles, énergétiques et dynamiques de ces phases liquides complexes. C’est une opportunité pour avancer dans leur compréhension, avec une approche à la frontière de la physico-chimie des liquides, des sciences des matériaux et du génie chimique, en combinant simulation moléculaire et thermodynamique expérimentale. Ses travaux sont organisés autour de deux thèmes principaux: 1) Solvants et milieux réactionnels alternatifs pour une chimie durable, où se fait sentir un manque de compréhension fondamentale pour permettre le développement de nouveaux procédés propres et sûrs. A. Padua étudie des liquides ioniques et des solvants eutectiques pour des séparations ainsi que pour la conversion de matières premières biosourcées. 2) Interactions de liquides avec des nanomatériaux, tels que nanoparticules, nanotubes ou matériaux bidimensionnels d’épaisseur atomique (graphène, MoS2, phosphorène, etc.). L’objectif est le design de solvants pour l’exfoliation ou d’électrolytes pour des dispositifs comme des supercondensateurs, des transistors à effet induit, ou des capteurs.

Alan Le Goff (37 ans) est chargé de Recherche CNRS au Département de Chimie Moléculaire à l’Université Grenoble Alpes.

Il a obtenu une thèse de l’université de Brest en 2006 sur la synthèse et l’électrochimie de clusters fer‐soufre et molybdène‐soufre, complexes biomimétiques de métalloenzymes. Il a ensuite effectué un stage postdoctoral au CEA Saclay puis dans le Carbon Nanotechnology Group de l’université de Trieste en Italie avant de rejoindre le CNRS en 2009. Ses activités de recherche s’articulent autour de la chimie bioinorganique, l’électrochimie moléculaire, la bioélectrochimie et la fonctionnalisation de surfaces et de nanomatériaux. Il développe la synthèse et l’électrochimie de surfaces nanostructurées rédox‐actives pour les biocapteurs, les piles à combustible enzymatiques et bio‐inspirées. En particulier, l’étude de métalloenzymes et de nouveaux complexes bio‐inspirées à base de fer, de nickel ou de cuivre a pour but de proposer une alternative aux métaux nobles dans le domaine de l’électrocatalyse de l’activation de petites molécules (H2, O2, H2O). Au‐delà des applications de ce type d’objets, les défis de cette recherche résident dans les stratégies de synthèse et d’immobilisation de ces catalyseurs, la caractérisation des mécanismes électrocatalytiques et de l’interface entre catalyseurs et nanomatériaux
conducteurs, et leur intégration dans des dispositifs fonctionnels. Dans ces domaines, il est l’auteur de plus de 70 publications (1900 citations), 4 brevets et plusieurs chapitres de livre.

Prix Jeune Chercheur 2016 de la DCP

Résumé:

Chargée de recherche au CNRS, Sophie Le Caër effectue ses travaux au sein du service Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE, UMR 3685, CNRS/CEA) à Saclay.
Ancienne élève de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, agrégée de chimie, elle s’est tout d’abord spécialisée dans la chimie organométallique en phase gazeuse. Elle a réalisé ses travaux de thèse au Laboratoire de Chimie Physique de l’Université de Paris Sud, centre d’Orsay, sous la direction d’Hélène Mestdagh. Juste après sa thèse, en 2003, elle effectue une reconversion thématique et rejoint l’équipe radiolyse (groupe de J.-C. Mialocq et de S. Pommeret) du Laboratoire Claude Fréjacques (URA 331 CNRS, Saclay) pour un séjour post-doctoral de deux années. Elle travaille alors sur la radiolyse de l’eau en milieu confiné, thématique de recherche fondamentale qui a des applications importantes dans le domaine de l’énergie nucléaire. Elle entre ensuite au CNRS en 2005 en qualité de chargée de recherche dans ce même laboratoire. Ses recherches sont d’abord centrées sur la réactivité, induite par les rayonnements ionisants, en milieu confiné. Elle s’intéresse alors à la caractérisation structurale et dynamique des effets de surface et de confinement sur les molécules d’eau, en utilisant la spectroscopie infrarouge comme outil de prédilection pour étudier ces effets, qu’elle soit statique ou dynamique (notamment à l’échelle de la femtoseconde). L’ensemble de ces travaux la conduit à développer un montage expérimental nouveau couplant électrons accélérés et spectroscopie infrarouge, afin d’étudier in situ l’évolution de systèmes, notamment organiques, sous l’action des rayonnements ionisants. Plus récemment, elle a montré que les outils de la chimie sous rayonnement permettaient d’accélérer de manière importante les réactions de dégradation dans les électrolytes des batteries Lithium-ion, et apportaient des informations complémentaires à celles obtenues lors des études d’électrolyse. Sophie Le Caër a à son actif plus de quarante publications, des conférences et séminaires invités, ainsi que de nombreuses communications orales.

Prix Jeune Chercheur 2016 de la DCP

Résumé:

Céline Chizallet (36 ans) est ingénieur-chercheur à IFP Energies nouvelles, au sein de la direction Catalyse et Séparation, où elle exerce ses activités de recherche dans le domaine de la modélisation, par calcul quantique ab initio, en physico-chimie des surfaces et ses applications en catalyse. Elle a soutenu sa thèse en 2006 à l’Université Pierre et Marie Curie (Paris 6), sous la direction de M. Che, G. Costentin et H. Lauron-Pernot (Laboratoire de Réactivité de Surface), en collaboration avec Philippe Sautet de l’ENS-Lyon.Ce travail a consisté en l’élucidation des propriétés basiques de surface de MgO, par une approche associant spectroscopies, test catalytiques et calculs quantiques ab initio. Dès lors, elle se consacre pleinement au calcul ab initio, tout d’abord dans la direction Chimie et Physico-Chimie Appliquée d’IFP Energies nouvelles à Rueil-Malmaison (de 2006 à 2007), dans l’équipe de H. Toulhoat et P. Raybaud, puis à partir de 2007 dans la direction Catalyse et Séparation à Solaize, près de Lyon. Ses travaux portent sur la rationalisation et la prédiction, à l’échelle atomique, de la structure et la réactivité de catalyseurs hétérogènes complexes d’intérêt pour l’industrie (zéolithes, silice-alumine amorphes, particules métalliques sub-nanométriques supportées notamment), avec des applications dans les domaines de l’énergie et de la chimie.Depuis 2014, elle est responsable d’un projet de recherche visant à l’élaboration de modèles cinétiques macroscopiquesà l’aide de calculs ab initio.Cette approche multi-échelle permet à la fois d’élucider des mécanismes réactionnels, par comparaison à l’expérience, et d’accéder à des outils robustes de prédiction de performances. Elle est co-auteure de plus de 50 publications, deux brevets et un chapitre d’ouvrage, et a donné une vingtaine de conférences sur invitation.

Prix Chercheur Confirmé

Résumé:

Emmanuel Flahaut (44 ans) a obtenu son doctorat en Science des Matériaux à l’Université de Toulouse en 1999. Après un post-doctorat en Angleterre (Pr Malcolm Green, Université d’Oxford) durant lequel il s’initie à la synthèse de nanocristaux confinés dans des nanotubes de carbone (NTC), il est recruté en tant que Chargé de Recherche au CNRS en 2001. Il est actuellement Directeur de Recherche au Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux à Toulouse, où ildéveloppe ses travaux dans le domaine des nanomatériaux carbonés (NTC et graphène et matériaux apparentés). Ses travaux s’étendent des matériaux nanocomposites aux applications biomédicales en passant par la nanoélectronique et l’énergie. Spécialiste de la synthèse des NTC (en particulier biparois), il s’intéresse aussi à leur fonctionnalisation afin de permettre leur dispersion mais aussi de les étudier à l’échelle individuelle – ou plus largement de leur conférer de nouvelles propriétés. En particulier, il étudie la cristallisation des nanomatériaux inorganiques dans la cavité interne des NTC et les modifications structurales induites ainsi que leur transformation chimique in situ afin de préparer des nanostructures originales qui n’existent le plus souvent pas sous la forme "bulk". Soucieux d’un développement responsable de ses recherches, Il fait partie des pionniers des études de l’impact potentiel des nanoparticules carbonées sur la santé humaine et sur l’environnement. Cet engagement se traduit notamment par sa participation active en tant qu’expert à l’Agence Nationale de Sécurité Sanitairede l’Alimentation, de l’Environnement et du Travail (ANSES) pour les questions relatives aux nanoparticules (Comité d’Experts Spécialisé Agents Physiques, Groupes de Travail "Evaluation des Risques Sanitaires nano et "Nanomatériaux", mais aussi membre du Comité Scientifique du Programme de Recherche). Il est auteur de plus de 160 articles dans des revues internationales à comité de lecture.

Prix de Thèse 2016 de la Division de Chimie Physique (DCP : SCF/SFP)

Résumé:

 Les générateurs électrochimiques ayant la spécificité de convertir directement l’énergie chimique en énergie électrique au cours d’un processus nécessitant la présence synchrone d’un combustible et d’un comburant (pile à combustible) attisent l’intérêt de la communauté scientifique et politique.

Par ailleurs, un dispositif implantable tel qu’un stimulateur cardiaque (pacemaker) ou une pompe à insuline (patient diabétique) a besoin d’une grande autonomie énergétique pour éviter des opérations chirurgicales répétitives de remplacement. À l’heure actuelle, les piles au lithium qui les alimentent ne produisent pas l’énergie électrique par utilisation directe de substances présentes dans l’hôte et ont une durée de vie limitée. Or, en théorie, de la présence simultanée de sucre (dont se nourrissent les cellules vivantes) et d’oxygène (issu de la respiration) peut en résulter une réaction chimique convertible en électricité, offrant ainsi une réserve énergétique illimitée puisque les deux y sont présents, continûment. Ainsi, les piles à combustible fonctionnant en milieux physiologiques sont nées comme une alternative intéressante. Néanmoins, la performance optimale d’un tel système reste un défi majeur en (bio)électrocatalyse et en nanotechnologie.
C’est dans ce contexte que j’ai réalisé ma thèse de doctorat (plus de 15 articles dans des revues internationales à comité de lecture) pour améliorer les performances. Ainsi, une formulation judicieuse et minutieuse d’électrodes à base de métaux nanostructurés grâce à une approche expérimentale novatrice a permis d’atteindre une sélectivité et une stabilité inédites. Pour la première fois, des piles sans membrane séparatrice et faites d’électrodes à base desdits nano-objets ont été réalisées avec succès pour activer un stimulateur cardiaque et un système de transmission d’information en mode "Wifi", ce qui ouvrent une ère nouvelle pour l’alimentation des implants médicaux ou des appareils sans fil de détection et de surveillance.

Les nanoparticules envahissent notre quotidien, dans la recherche comme dans l’industrie. Leur fort rapport surface/volume leur confère des propriétés inhabituelles, pilotées par la réactivité de leur surface. Leur petite taille leur confère aussi une grande mobilité. Ce sont ces deux aspects, réactivité de surface et mobilité de nanoparticules individuelles, que vise à étudier l’instrument développé conjointement par l’ITODYS (Université Paris Diderot) et le Laboratoire de Neurophotonique (Université Paris Descartes).

L’instrument propose la lecture d’évènements discrets chimiques de nanodomaines individuels en combinant (i) une localisation optique 3D, sensible et précise de nanoobjets, et (ii) une caractérisation/actuation électrochimique précise d’évènements physico-chimiques individuels. L’objectif est de fournir une description complète des réactions/interactions de nanodomaines ou nanoparticules individuels avec une interface.

Un microscope holographique est utilisé (voir figure 1) : le faisceau d’un laser monomode (l = 532 nm) est séparé en deux voies afin de produire un hologramme sur un capteur CCD (images 512 x 512, 1 pixel = 0,08 m, cadence = 40 Hz). La figure d’interférence obtenue porte ainsi une information sur l’amplitude et la phase de la lumière diffusée par les particules. La reconstruction numérique de la propagation de l’onde permet d’obtenir une image 3D de l’échantillon.

L’échantillon se compose d’une cellule microfluidique électrochimique transparente, munie d’une électrode plane transparente (ITO) ou semi-transparente (Au) et de canaux permettant d’introduire une solution colloïdale (nanoparticules de 5 à 50 nm de rayon). L’image 3D de l’échantillon reconstruite à partir d’un seul hologramme contient autant de taches qu’il y a de particules visibles (figure 2).

Un algorithme permet de localiser en 3D le barycentre de dizaines de taches de diffraction dans le volume optique reconstruit avec une précision de localisation de 3 x 3 x 10 nm3 (figure 3). Le calcul massivement parallélisé sur carte graphique est effectué en quelques dizaines de millisecondes.

Ce dispositif a mis en évidence par exemple les processus de transport et de réaction associés à la sollicitation électrochimique de nanoparticules d’argent individuelles. Sur les clichés de la figure 2, des nanoparticules d’argent s’adsorbent sur la surface d’électrode avant de disparaître une à une (dissolution par oxydation, Ag → Ag+ + e-). La dynamique de dissolution de nanoparticules individuelles est suivie optiquement. L’utilisation de microélectrodes microfabriquées permet d’obtenir un lien univoque entre observations optique et électrochimique à l’échelle de nanoparticules individuelles.

Les résultats obtenus sont tout à fait prometteurs quant à l’étendue des champs d’application de cette instrumentation pour la chimie, l’électrochimie, la biochimie ou biophysique de nanoobjets individuels.

Suivi nanométrique de nanoparticules réactives. 1. Schéma de fonctionnement du microscope holographique. 2. Zoom sur la cellule microfluidique électrochimique utilisée pour le suivi de l’adsorption/dissolution par oxydation de nanoparticules d’argent individuelles. 3. Exemple de volume optique reconstruit (trois nanoparticules dans 5 x 5 x 5 m3). Images 1 et 3 adaptées avec permission de Batchelor C. et al., Chem. Phys. Lett., 2014, 597, p. 20, © 2014 Elsevier, et image 2 adaptée avec permission de Patel A.N. et al., Nano Lett., 2015, 15, p. 6454, © 2015 American Chemical Society.

Le prix récompense « microLAS », une nouvelle technologie fluidique pour la séparation et la concentration de l’ADN, fruit d’un travail en instrumentation microfluidique réalisé au sein du LAAS-CNRS (Toulouse).

Cette innovation est dédiée à la séparation et à l’enrichissement d’ADN à haute performance pour les biotechnologies et la biochimie analytique. Un nouveau mécanisme de séparation d’ADN fondé sur les actionnements croisés hydrodynamique et électrophorétique a été mis en évidence, qui ne requiert pas de matrice de séparation (hydrogel d’agarose par exemple). Cette innovation est plus performante que l’électrophorèse sur gel – technique reine en biologie moléculaire –, et est très compétitive par rapport aux outils récemment mis sur le marché pour l’analyse génomique à haut débit. Un mode de fonctionnement inédit a de plus été identifié dans lequel il est possible de réaliser simultanément les opérations de séparation et d’enrichissement d’ADN avec des facteurs de concentration de 1 000 par minute. Dans ce mode d’opération unique, il est possible d’analyser un échantillon très dilué en moins d’une minute.

Cette association d’outils analytiques ouvre des perspectives majeures pour automatiser et fiabiliser les opérations de base de la biochimie analytique. Brevetée au niveau international en 2014 et 2015 par le CNRS (WO/2014/020271 et PCT/EP2015/067826), la technologie a été transférée avec succès chez Picometrics Technologies (Labège), suite à un programme de maturation de Toulouse Tech Transfert en 2014, qui a démontré les performances et la robustesse de cet outil.

Légende figure : Le dispositif microLAS. DR.

Alain Walcarius (48 ans) a suivi une formation universitaire à Namur (Belgique) où il a obtenu un doctorat en sciences en 1994. Après deux stages post-doctoraux (USA et France), il est recruté en tant que Chargé de Recherche au CNRS en 1996. Il est actuellement Directeur de Recherche au laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour l’Environnement où il anime une équipe de Chimie et Electrochimie Analytiques, tout en ayant pris plusieurs responsabilités administratives tant au plan local (direction de laboratoire) que national (CNRS, ANR, SCF, …). Ses travaux portent sur l’étude des réactions de transfert de matière et de charge aux interfaces solide/solution. Ses activités se situent à la confluence triple de la chimie physique analytique des interfaces solide/liquide, l’électrochimie, et la chimie des matériaux poreux et/ou hybrides à base de silice. Cela s’articule principalement selon 3 axes complémentaires : (a) développements méthodologiques pour la caractérisation électrochimique de matériaux fonctionnels de nouvelle génération ; (b) exploitation des propriétés remarquables de certains d’entre eux pour l’élaboration de capteurs ou de (bio)réacteurs, ainsi que pour leur implication dans des procédés environnementaux ; (c) génération électrochimiquement assistée de matériaux sol-gel sous forme de films minces hybrides (bio)organo-minéraux ou de structures mésoporeuses organisées et orientées. Une originalité majeure de ces recherches est qu’elle permet d’étendre les approches traditionnelles de l’électrochimie au cas des systèmes et matériaux non conducteurs électroniques et/ou ne présentant pas d’activité redox, ouvrant de nouveaux champs d’application dans différents domaines.

Les travaux de recherche de François-Xavier Coudert s’inscrivent dans la problématique du comportement physico-chimique des matériaux et des interfaces fluide/solide. Il a obtenu son doctorat en 2007 à l’Université Paris-Sud pour des travaux sur la radiolyse de l’eau confinée dans des matériaux nanoporeux. Il mène ensuite ses recherches post-doctorales à University College London, où il travaille sur les matériaux hybrides organiques–inorganiques (metal–organic frameworks, ou MOF). Il rentre en 2008 comme chargé de recherche au CNRS et travaille actuellement à l’Institut de Recherche de Chimie Paris (CNRS / PSL Research University, Chimie ParisTech). Il y mène ses recherches sur les matériaux “intelligents” ou “adaptatifs”, qui répondent par des changements importants de structure et de propriétés à des stimulations externes, tant physiques que chimiques : adsorption de molécules extérieures, variations de température, comportement sous moyenne et haute pression, exposition à la lumière, etc.

Sur ces thématiques, l’activité de François-Xavier Coudert s’étend selon deux axes principaux. Tout d’abord le dévelopement de méthodes de modélisation moléculaire multi-échelles, un travail fondamental pour permettre de comprendre et prédire le comportement des matériaux et des fluides confinés. Et ce, en allant des détails de la structure électronique à la thermodynamique et dynamique des fluides, en utilisant un éventail de méthodes alliant la chimie quantique, la dynamique moléculaire, les méthodes Monte Carlo et les simulations mésoscopiques. Ces dévelopements méthodologiques sont utilisées dans le cadre d’un large réseau de collaborations nationales, internationales — notamment les groupes de Tony Cheetham à Cambridge et Andrew Goodwin à Oxford — mais également par des projets de recherche fondamentale menés avec plusieurs groupes de R&D, dont Air Liquide, Saint- Gobain et EDF.

Aziz Ghoufi , a obtenu son doctorat de chimie physique en 2006 à l’université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand). Après deux années de post-doctorats à l’institut Français du Pétrole et à l’institut Gerhardt de Montpellier, il rejoint l’institut de Physique de Rennes en 2008. Son travail porte sur la modélisation des systèmes hétérogènes et de fluides sous confinement nanométrique. Ses activités de recherches s’articulent autours de deux axes : 1) le développement de méthodes théoriques et numériques originales permettant la modélisation multi-échelle de systèmes hétérogènes et le calcul quantitatif de propriétés macroscopiques (tension de surface, permittivité diélectrique…), 2) la compréhension des processus microscopiques contrôlant la physicochimie des systèmes hétérogènes tels que le confinement de fluides complexes (eau, liquide-ionique, cristaux liquide…) dans des matériaux nanoporeux (pore de silice, MOFs, nanotube de carbone, graphène, polymère…) ou bien encore les systèmes interfaciaux liquide-vapeur, liquide-solide & liquide-liquide. Depuis son doctorat en 2006 il est l’auteur de plus 80 articles.

Boris Le Guennic, a obtenu son doctorat de chimie théorique en 2002 à l’université de Rennes 1 avant de rejoindre successivement les groupes de Jochen Autschbach (université d’Erlangen, Allemagne puis université de Buffalo, Etats-Unis) et de Markus Reiher (université de Bonn, Allemagne) pendant 3 années. Depuis son entrée au CNRS en 2005, tout d’abord à l’ENS de Lyon et depuis 3 ans à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, Boris Le Guennic poursuit des travaux de recherche centrés principalement sur l’utilisation de la chimie quantique à la compréhension des propriétés magnétiques et optiques de matériaux moléculaires. En particulier, tout en continuant ses travaux sur l’étude du phénomène de transition de spin, il s’est orienté récemment vers l’utilisation des méthodes ab initio corrélées basées sur la fonction d’onde à l’étude de l’échange magnétique et des paramètres d’anisotropie dans des composés magnétiques à base de métaux d et/ou métaux f. En parallèle, il s’intéresse au moyens de la théorie de la fonctionnelle de la densité et de sa composante dépendante du temps à la compréhension de la structure électronique de chromophores organiques et de complexes de lanthanide présentant une activité en optique linéaire et non linéaire. Il est co-auteur de plus de 90 articles dans des journaux internationaux de premier plan.

Céline Merlet, a reçu le prix de thèse pour ses travaux sur le développement des systèmes de stockage d’énergie performants qui fait partie intégrante des recherches sur les énergies nouvelles. Parmi ces systèmes de stockage, les batteries et les supercondensateurs sont au premier plan.

Au sein des supercondensateurs carbone-carbone, l’énergie est stockée à l’interface électrode-électrolyte par adsorption réversible des ions. Bien que performants et permettant de développer de grandes puissances, les supercondensateurs présentent une densité d’énergie relativement faible, ce qui limite actuellement leur utilisation. L’augmentation de capacité observée récemment dans les carbones nanoporeux ouvre la voie vers de nouvelles optimisations des supercondensateurs.

Comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de cette super-capacité est une étape nécessaire à la rationalisation des performances observées et à l’amélioration des matériaux d’électrode. Les expériences permettant de sonder les propriétés du liquide au sein de la porosité sont encore rares et la dynamique moléculaire apparaît alors comme une méthode de choix pour étudier les mécanismes de stockage au sein de ces systèmes complexes. Les simulations effectuées au cours de cette thèse présentent certaines particularités comme l’utilisation d’un modèle gros grains pour décrire l’électrolyte, et la représentation réaliste des électrodes grâce à l’inclusion de la conduction électronique et à l’emploi d’une structure désordonnée proche des structures expérimentales.

La détermination de la structure du liquide à l’interface électrode-électrolyte a mis en évidence l’influence du confinement et l’origine de l’augmentation de capacité. Plus précisément, le confinement empêche la formation de couches ioniques successives, présentes dans le cas d’une électrode plane, qui ont tendance à réduire l’efficacité du stockage de charge. Les simulations moléculaires permettent également d’étudier les phénomènes de désolvatation au sein de la structure poreuse du carbone et de corréler l’efficacité du stockage de charge avec le degré de confinement des ions. La dynamique moléculaire fournit ainsi une interprétation microscopique aux observations macroscopiques réalisées sur les supercondensateurs.

Sylvain Clède, a reçu le prix de thèse pour ses travaux de recherche qui s’inscrivent dans la problématique générale de la détection en biologie.

Le monde vivant est constitué d’une grande diversité de biomolécules qui ont chacune leur réponse à un stimulus extérieur. « Voir » une molécule donnée dans cet environnement complexe suppose que l’on puisse la distinguer de toutes les biomolécules endogènes. Elle doit donc comporter une signature propre, permettant de l’identifier de façon univoque. Ma thèse a consisté en la mise au point et au développement de sondes présentant des signaux spectroscopiques en dehors de tout signal cellulaire, assurant leur détection explicite. Par greffage à des molécules d’intérêt, ces dernières deviennent détectables sans que leur action biologique intrinsèque ne soit modifiée.

Les métaux carbonyles, de par leurs propriétés vibrationnelle et de luminescence, sont des candidats idéaux pour réaliser une imagerie bimodale cellulaire. Le fil conducteur de ce travail a été la mise au point, l’étude et l’utilisation d’un cœur rhénium tris-carbonyle LRe(CO)3X (L = pyridyl-1,2,3-triazole et X = Cl-) dit SCoMPI pour « Single Core Multimodal Probe for Imaging », combinant les modalités infrarouge (IR) et de luminescence sur une structure moléculaire unique, stable en milieu biologique.

Des cartes IR et de luminescence ont été réalisées sur des cellules incubées avec un dérivé SCoMPI. Leur correspondance a démontré l’intégrité en milieu cellulaire et la pertinence en tant qu’agent bimodal d’une telle unité. Il était alors possible de l’envisager comme une plateforme de spectroscopie corrélative greffable. Une première application à la détection d’un dérivé œstrogénique a mis en évidence tout son potentiel pour le traçage de biomolécules. L’étude approfondie de l’influence de substituants du ligand L sur la pénétration cellulaire de sondes SCoMPI a permis de mieux comprendre les paramètres influant sur leur internalisation. Enfin, le suivi IR/luminescence en temps réel de cette pénétration a montré l’intérêt de ces objets pour l’imagerie de cellules vivantes. Ayant démontré leur utilité au niveau cellulaire, nous avons pu récemment appliquer les sondes SCoMPI à des problématiques de pénétration cutanée.

Parallèlement, nous avons confirmé qu’il est pertinent de considérer des rapports de bandes IR en vue de détecter des organites, sans recours à un marquage exogène. Grâce à ses nombreux atouts (faible énergie mise en jeu, pénétration accrue, signature propre à chaque fonction chimique), la spectroscopie IR est amenée à être davantage utilisée pour la résolution de problématiques biologiques.

**Uli Schmidhammer
Laboratoire de Chimie Physique – UMR 8000, Université Paris-Sud, 91405 Orsay

Spectroscopie THz dans le Domaine Temporel par Détection Monocoup Ultrarapide

Situé entre l’infrarouge et les micro-ondes, le rayonnement électromagnétique Terahertz (1 THz=10¹² Hz) combine les avantages de ces régions spectrales telles qu’une faible diffusion et une résolution spatiale submillimétrique.
De manière non-invasive, il peut pénétrer les matériaux diélectriques, même si ceux-ci sont opaques dans le visible ou l’infrarouge. La spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz TDS) utilise des impulsions THz picosecondes dont le champ électromagnétique est reconstitué par interaction avec une impulsion optique femtoseconde point par point dans le domaine temporel.
En plus de l’amplitude de l’impulsion, cette approche donne accès au temps du vol, et par la transformation de Fourier aux spectres de l’amplitude et de la phase sur une large gamme spectrale.

Cette multitude d’information offre diverses applications par spectroscopie et imagerie 3D ainsi que leur couplage qui vont au-delà des investigations permises par les techniques alternatives. Cependant, l’inconvénient des méthodes conventionnelles réside dans la mesure répétitive, au moyen d’un translateur utilisé comme retard optique. La durée élevée de la mesure – typiquement sur l’échelle des secondes – rend le dispositif répétitif sensible aux perturbations de l’environnement.

Le spectromètre THz du Laboratoire de Chimie Physique (LCP) réduit le temps d’acquisition de plus de sept ordres de grandeur par rapport aux spectromètres les plus modernes sur le marché. Il utilise le spectre temporellement étiré d’un supercontinuum comme axe de temps sur lequel l’impulsion THz est inscrite par l’effet électro-optique. La détection équilibrée polychromatique des deux états de la polarisation du continuum permet une sensibilité comparable aux dispositifs répétitifs.

La mesure s’effectue à haute cadence (1kHz) et avec une extrême stabilité sans utiliser d’éléments mobiles. Initialement conçu pour la caractérisation des impulsions d’électrons, la technologie du détecteur monocoup brevetée (WO2009106728 A1, V. De Waele, U. Schmidhammer, UMR8000) permet maintenant d’exploiter le potentiel du THz TDS pour suivre des processus rapides ainsi que des objets transitoires, également en milieu industriel.

Le spectromètre THz ultrarapide est mis à disposition par la nouvelle plateforme du LCP, réalisée avec l’assistance de Pierre Jeunesse.

**Benoit Limoges et Damien Marchal
Université Paris Diderot/CNRS, Laboratoire d’Electrochimie Moléculaire
Conception et réalisation d’un instrument de PCR en temps réel avec détection électrochimique

Détecter, quantifier et analyser l’ADN d’une cible biologique (bactérie, virus, cellule, …) est un enjeu majeur dans de nombreux domaines des sciences du vivant.

Parmi les différentes méthodes de détection d’ADN, les techniques de PCR en temps réel, couplant amplification exponentielle d’acides nucléiques in vitro et détection par fluorescence, sont connues pour être les plus rapides (< 2h), sensibles (détection de quelques copies d’un ADN viral dans un échantillon biologique complexe), spécifiques (mise en évidence d’une mutation) et simples d’utilisation (une seule étape). Mais en raison de la mise en œuvre d’une détection optique par fluorescence (permettant ainsi de suivre in situ la réponse de marqueurs fluorescents), ces dispositifs analytiques souffrent d’un coût d’acquisition instrumental élevé, mais aussi d’une maintenance et utilisation onéreuse. Par ailleurs, de par leur conception, ils s’avèrent difficilement transportables.

Pour remédier à ces inconvénients, nous avons imaginé, conçu puis développé un dispositif (prototype) de PCR en temps réel reposant sur une détection électrochimique in situ. Le principe consiste à suivre, pendant l’amplification PCR de la séquence cible, la décroissance exponentielle de la réponse électrochimique d’une sonde redox libre capable de s’intercaler au fur et à mesure de l’amplification dans l’ADN double brin amplifié.

L’instrument se compose d’un thermocycleur avec un bloc de chauffe à effet Peltier, à plat, sur lequel vient se positionner une microplaque formée de 48 micro-puits électrochimiques indépendants (équipés chacun, sur leur fond plat, de trois électrodes sérigraphiées), le tout étant relié à une simple carte électronique (potentiostat) capable d’interroger (par multiplexage) le contenu de l’ensemble des 48 micro-puits à l’aide d’une technique de voltamétrie à vague carrée. Avec ce dispositif, il devient alors possible de suivre en temps réel et en parallèle jusqu’à 48 solutions PCR.

Avec ce premier développement, il a été possible de démontrer des performances analytiques (limite de détection : < 10 copies par puits ; dynamique de concentration > à 8 ordres de grandeurs) proches de celles obtenues avec des appareils commerciaux équipés d’une détection de fluorescence.

Le faible coût instrumental mais aussi le faible coût de fabrication des microplaques électrochimiques, ainsi que la possibilité de miniaturiser et d’intégrer le tout dans un appareillage robuste, de faible encombrement, ouvre des perspectives très prometteuses pour l’exploitation de cette nouvelle technologie dans de nombreux domaines nécessitant la détection rapide, sensible et spécifique d’ADN.

Ce prix est destiné à mettre en avant les innovations en instrumentation qui apportent des réelles avancées dans le domaine de la Chimie-Physique. Il nous est apparu que le domaine de l’instrumentation, pourtant primordial pour les applications, était en régression et surtout mal valorisé en France. Ce prix a donc pour but de contribuer à la revalorisation de l’instrumentation et à encourager son développement.

Le jury, constitué de professionnels de l’industrie et de la recherche, décerne le prix 2011 à:

Jean-Michel André, Karine Le Guen, Philippe Jonnard
Équipe « Interfaces, Multimatériaux, Sources et Optique X »
Laboratoire de Chimie Physique-Matière et Rayonnement
UMR 7614 CNRS-Université Pierre et Marie Curie

Nouveau monochromateur pour la spectrométrie du rayonnement X

suite

Cette année le prix jeune chercheur a été attribué à Marc Baaden  
Le lauréat recevra son prix à Autrans lors de 11e journée francophones des jeunes physico chimistes, à l’issue de sa conférence.

Ce prix a été remis le 3 juin 2010 sur le stand de Mesurexpo à Christophe Pecheyran*pour son travail sur le développement et applications de l’ablation laser en régime femtoseconde, haute cadence de tir (10 kHz) et balayage rapide du faisceau pour l’analyse directe des éléments traces par spectrométrie ICPMS.

L’analyse des éléments traces dans les solides est une préoccupation grandissante dans de nombreux secteurs industriels et de l’environnement. En réponse à cette pression, l’ablation laser couplée à une détection par spectrométrie de masse à plasma induit (AL/ICP-MS) se positionne comme un outil de choix de par les nombreux avantages qu’elle présente : analyse directe, grande sensibilité, résolution spatiale à l’échelle micrométrique. Cependant, les lasers utilisés à ces fins délivrent des impulsions nanosecondes suffisamment longues pour générer des effets thermiques dans l’échantillon. Ceci se traduit par une évaporation sélective des éléments et la formation de grosses particules difficilement atomisables dans le plasma ICP altérant ainsi la justesse des analyses.

En intégrant une source laser à impulsions brèves (femtoseconde) et à haute cadence de tir (Amplitude Systèmes/Novalase Sa) associée à un scanner galvanométrique 2D, nous avons pu proposer une approche différente. En premier lieu, la durée d’impulsion très courte permet de limiter considérablement les effets thermiques améliorant ainsi la justesse d’analyse. Par ailleurs la cadence de tir portée à 10000 Hz (contre 10-20 Hz avec les sources conventionnelles) combinée au balayage rapide du faisceau à la surface de l’échantillon est un aspect fondamental du concept car il permet par exemple d’augmenter la sensibilité du couplage LA/ICPMS (en concentrant temporellement le volume d’échantillon introduit dans le spectromètre), de mettre en œuvre une quantification par dilution isotopique directement dans la cellule d’ablation ou d’ablater les échantillons selon des trajectoires complexes en 2 dimensions. Cette technique a d’ores et déjà été mise à profit pour la détection en ultra traces de metalloproteines, la lutte contre la prolifération nucléaire, la détermination de traceurs inorganiques dans des huiles brutes et kérogènes, la datation de l’expulsion des huiles dans des réservoirs pétroliers, l’étude de la migration des poissons.

*Laboratoire de Chimie Analytique Bio Inorganique et Environnement/IPREM UMR 5254, Université de Pau et des Pays de l’Adour, CNRS, 64053 Pau

L. Poisson, CEA-CNRS, Saclay

Ce prix est destiné à mettre en avant les innovations en instrumentation qui apportent des réelles avancées dans le domaine de la Chimie-Physique. Il nous est apparu que le domaine de l’instrumentation, pourtant primordial pour les applications, était en régression et surtout mal valorisé en France. Ce prix a donc pour but de contribuer à la revalorisation de l’instrumentation et à encourager son développement.

Le jury, constitué de professionnels de l’industrie et de la recherche, décerne le prix 2012 à :
Jérome Polesel
CEA Saclay, DSM-IRAMIS

Une nouvelle approche pour scruter la protéine : nanosonde de force à capteur intégré piezoélectrique

***Fouzia Boulmedais

Fouzia Boulmedais a été recrutée à l’institut Charles Sadron (CNRS, Strasbourg) en 2005.
Son activité de recherche s’est orientée vers la fonctionnalisation de surface par les polyélectrolytes (polymères chargés négativement ou positivement) aussi bien d’un point de vue fondamental qu’applicatif.

D’une part, elle s’est intéressée à l’influence du stimulus électrique sur les films multicouches. En effet, l’application d’un potentiel électrique induit un phénomène de gonflement/dégonflement de ces films en présence d’une sonde électrochimique.
Grâce à la chimie click électrocontrôlée, ils ont pu induire l’autoconstruction de film à partir de polyélectrolytes fonctionnalisés par des groupements azide et alcyne.
L’application d’un potentiel électrique donné permet de générer le catalyseur de réaction (cuivre I) induisant ainsi la réticulation des polyélectrolytes à la surface de l’électrode.

D’autre part en étroite collaboration avec l’unité Biomatériaux et Bioingénierie (INSERM UMR 1121, Strasbourg) et le laboratoire Biomatériaux et Inflammation en site osseux (E.A 4691, Reims), elle s’est ’intéressée également à l’application des films de polyélectrolytes dans le domaine des biomatériaux.
Ils ont pu développer des revêtements biocompatibles et biodégradables à base de polysaccharides afin de favoriser l’adhésion cellulaire ou au contraire la limiter. Par greffage d’un peptide antimicrobien sur l’un des polysaccharides ou par incorporation d’ions argent, le film permet de limiter les infections bactériennes au niveau des implants.

***Benjamin Rotenberg

Après sa thèse à l’Université Pierre et Marie Curie, Benjamin Rotenberg a effectué un séjour post-doctoral dans l’équipe de Daan Frenkel à l’institut AMOLF (Amsterdam).
En 2008, il a rejoint le laboratoire LI2C, devenu PESCA en 2009 (UPMC), comme chargé de recherche CNRS.

Son travail porte sur la modélisation multi-échelle des systèmes chargés et ses applications à des matériaux d’intérêt industriel et environnemental dans le domaine de l’énergie.
Il s’intéresse en particulier aux milieux poreux chargés comme les argiles pour leur rôle dans le stockage des déchets nucléaires en couche géologique profonde et le stockage géologique du CO₂, ainsi qu’aux carbones nanoporeux pour leur utilisation comme supercondensateurs.

La difficulté à appréhender ces systèmes vient de la complexité des interactions mises en jeu, depuis l’échelle moléculaire à celle du matériau : réactivité des sites de surface, solvatation des ions dans le bulk et à l’interface, mouillabilité, hydrodynamique en milieu nanoconfiné, effets électrocinétiques, … Il s’agit d’une part de comprendre les mécanismes qui reflètent la spécificité chimique au niveau moléculaire, d’autre part d’introduire de façon appropriée leur effet dans les modèles aux plus grandes échelles, où se manifeste également la complexité structurale des matériaux et ses conséquences sur les propriétés macroscopiques.
Il travaille ainsi tant sur les simulations aux échelles moléculaires et mésoscopiques que sur le lien entre les différents niveaux de description.

Amélie Kochem a reçu le prix de thèse 2013 pour ses travaux sur la synthèse et caractérisation de complexes de coordination contenant des ligands rédox-actifs.

Les radicaux organiques tiennent une place de choix dans de nombreux domaines et il est établi que ceux-ci peuvent exister coordinés à des centres métalliques dans les métalloenzymes. La Galactose Oxydase par exemple contient une entité cuivre(II)-radical phénoxyle indispensable à sa réactivité pour l’oxydation aérobie d’alcools en aldéhydes.

Ses travaux de thèse ont consisté en l’élaboration de complexes de métaux de transitions (cuivre, nickel, cobalt) à partir de ligands non-innocents dans une approche bio-inspirée.

Les caractérisations des espèces sous divers degrés d’oxydation ont été réalisées par différentes techniques complémentaires d’analyse (l’électrochimie, la RPE, l’UV-visible-proche-IR, la résonance raman ainsi que la diffraction des rayons X) combinées à des études de chimie théorique. Nous avons synthétisé des complexes Ni(II)-salen symétriques et dissymétriques et montré que l’espèce oxydée radicalaire pouvait acquérir un caractère localisé (composé de classe II) ou délocalisé (composé de classe III selon Robin-Day) en fonction des substituants phénoliques. Dans des complexes Cu(II)-salophen nous avons mis en évidence une activité redox centrée sur le pont, conduisant à des espèces Cu(II)-radicaux π diaminobenzène. Dans le cas des complexes de cobalt, les orbitales redox actives du métal et du ligand sont si proches en énergie que l’espèce oxydée est un hybride de résonance entre les formes Co(III)-phénolate et Co(II)-phénoxyle.

Elle a évalué l’influence du remplacement des oxygènes du salen par des azotes sur la structure électronique des espèces oxydées. Enfin, des complexes ont été mis au point à partir d’un ligand bis(phénol)-dipyrrine et les espèces oxydées radicalaires ont été caractérisées structuralement. Celles-ci possèdent un caractère mixte porphyrinyle-phénoxyle jamais mis en évidence au préalable.

Aude Bouchet
Le prix de thèse 2012 a été remis à Aude Bouchet pour ce sujet
Étude des propriétés chiroptiques de cryptophanes hydrosolubles lors de l’encapsulation de molécules invitées

Les cryptophanes constituent une famille de molécules chirales qui comportent une cavité dans laquelle elles peuvent accueillir des espèces invitées de taille et de nature variables (halogénométhanes, xénon, cations). La chiralité de ces systèmes a été utilisée pour étudier les propriétés d’encapsulation présentées par trois cryptophanes solubles dans l’eau, au moyen de techniques chiroptiques : la polarimétrie, le dichroïsme circulaire électronique (ECD) et le dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD), cette dernière technique étant associée à des calculs de chimie théorique. Différents paramètres, tels que le pH de la solution et la nature des contre-ions présents dans la solution, ont un rôle important sur la complexation de molécules invitées par ces cages moléculaires. L’encapsulation induit de plus des modifications conformationnelles sur les cryptophanes : en modifiant la conformation de leurs chaînes latérales, ces molécules hôtes adaptent le volume de leur cavité à l’espèce invitée qu’elles hébergent. D’autre part, les cryptophanes hydrosolubles énantiopurs ont révélé des propriétés d’énantiodiscrimination vis-à-vis de petites molécules invitées chirales. Cette reconnaissance chirale varie selon la nature des groupements attachés sur les cycles aromatiques de la cage. Enfin, les cryptophanes ont montré une affinité exceptionnelle pour le cation césium Cs⁺ en solution aqueuse. Les résultats concernant l’énantiodiscrimination et la complexation du césium par les cryptophanes hydrosolubles font de ces systèmes des composés très prometteurs pour différentes applications. La détection du césium radioactif (¹³⁷Cs) est en effet un enjeu important en chimie de l’environnement : disposer de senseurs ayant une très forte affinité pour ces cations, tout en étant également très sélectifs, peut se révéler très utile. D’autre part, l’énantiosélectivité des cryptophanes peut être exploitée pour l’élaboration de nouvelles phases stationnaires en chromatographie chirale.

Guillaume Stirnemann

Le prix de thèse 2012 a été remis à Guillaume Stirnemann pour ce sujet
Dynamique de l’eau et des liaisons hydrogènes en solution : du bulk aux environnements biomoléculaires

Qui soupçonnerait en contemplant un verre d’eau que sous sa surface paisible se déchaine une véritable tempête microscopique au cours de laquelle les liaisons entre une molécule d’eau et ses voisines se font et se défont à l’échelle du millième de milliardième de seconde ? Et sachant que l’eau est rarement présente à l’état de corps pur, a fortiori en chimie et en biologie, comment ce ballet incessant est-il affecté par la présence de solutés très variés ?

Au cours de sa thèse, il a étudié des aspects clés de la dynamique de réorientation de l’eau à l’aide de simulations numériques et de modèles analytiques, en forte connexion avec les résultats expérimentaux.
Ce travail porte essentiellement sur le mécanisme moléculaire de la réorientation, qui implique des sauts angulaires de grande amplitude permettant l’échange de partenaires de liaisons hydrogènes. Ainsi, dans le cas du bulk, il a pu éclaircir quelques aspects fondamentaux de la dépendance en température de la réorientation, et a proposé une interprétation de résultats expérimentaux récents de spectroscopie non linéaire.

Par ailleurs, il a rationalisé l’effet de solutés très variés, comme des hydrophobes, des amphiphiles, et des surfaces étendues, sur la dynamique de l’eau. Il a montré que la réorientation de l’eau n’est que faiblement ralentie par la présence de groupes hydrophobes, alors que les groupes hydrophiles peuvent avoir un effet bien plus important sur la dynamique. Ceci forme donc un cadre unique pour comprendre ultérieurement la dynamique de l’eau dans des systèmes plus complexes, en particulier les milieux biologiques.

La thèse a été effectuée sous la direction de Damien Laage au Département de Chimie de l’École Normale Supérieure (Paris), UMR 8640 ENS-CNRS-UPMC.

D. Schaming et M. Jeffroy (Paris Sud 11)

Damien Laage

Damien Laage est un chimiste théoricien qui s’intéresse à la réactivité et à la spectroscopie en solution et dans les milieux biochimiques.

Après sa thèse à l’Ecole Normale Supérieure et à l’Université du Colorado à Boulder sous la direction de Casey Hynes et Monique Martin, il a effectué un séjour post-doctoral dans l’équipe de Michele Parrinello (ETH Zürich) et a rejoint le Département de Chimie de l’Ecole Normale Supérieure comme Chargé de Recherche CNRS en 2002.

Les travaux de Damien Laage portent en particulier sur le rôle critique joué par le solvant dans la détermination des mécanismes d’actes élémentaires et de leur cinétique. Après s’être intéressé au rôle de solvants polaires dans des réactions de transfert d’électron et de proton, Damien Laage a étudié la dynamique des liaisons hydrogènes dans l’eau. Les réarrangements du réseau de liaisons hydrogènes de l’eau jouent un rôle majeur dans une très large gamme de processus en solution, tels que le transport des ions ou le repliement des protéines, mais aussi dans de nombreuses réactions chimiques. Damien Laage a participé à élucider le mécanisme moléculaire gouvernant la réorientation de l’eau et l’échange de liaisons hydrogènes, les facteurs déterminant leur cinétique, et la façon dont ce mécanisme change en présence d’une large gamme de solutés, hydrophobes ou hydrophiles, petits ou étendus, y compris jusqu’à des solutés très complexes comme des protéines.

Son travail s’intéresse désormais au rôle si particulier joué par l’eau dans le fonctionnement du vivant. En particulier, Damien Laage cherche à comprendre à l’échelle moléculaire l’action de l’eau dans la catalyse enzymatique. Au-delà de leur intérêt fondamental, ces études auront également des retombées pratiques. Pour les nombreux processus industriels catalysés par des enzymes en l’absence d’eau, ce travail devrait guider l’optimisation de l’activité catalytique.

Olivier Sandre

Après sa thèse en 2000 sur l’étude dynamique des pores dans les liposomes géants à l’Institut Curie et un post-doc au MRL-Santa Barbara en Californie sur l’étude de microtubules protéiques, Olivier Sandre a été recruté au CNRS pour développer des matériaux nano-structurés à base de nanoparticules magnétiques, au sein du laboratoire LI2C de l’université Pierre et Marie Curie, devenu PECSA en 2009.

Ces nanomatériaux ont été de différentes natures (polymères, lipides, cristaux liquides…), de tailles et de formes variées (matrices macroscopiques, films minces, objets dispersés…), mais dans tous les cas l’objectif était de moduler leurs propriétés par des paramètres extérieurs tels que la température ou l’application d’un champ magnétique. Comme exemples de tels systèmes ayant pu être dopés par des nanoparticules magnétiques, on peut citer : les hydrogels chimiques (pour certains thermosensibles), les vésicules de copolymères à blocs amphiphiles ou polymersomes (avec Sébastien Lecommandoux), les coacervats avec des copolymères diblocs double-hydrophiles (avec Jérôme Fresnais et Jean-François Berret) ou les films lamellaires de copolymères diblocs (avec Maud Save et Bernadette Charleux).

De par sa double formation, en tant qu’ingénieur ESPCI, en physique et en chimie, Olivier Sandre s’est intéressé à la fois à la synthèse des matériaux, à leur mise en forme avec des outils nouveaux tels que la microfluidique, et à l’étude et l’optimisation de leurs propriétés, en privilégiant les approches de type lois d’échelle. Ayant rejoint le LCPO à Bordeaux en 2010 dans l’équipe «polymer nanotechnology for life sciences», il s’intéresse désormais plus particulièrement aux applications médicales des particules magnétiques comme agents de contraste en IRM et aux mécanismes de libération contrôlée d’actifs thérapeutiques par des polymersomes magnétiques biocompatibles.

Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (UMR5629 CNRS-Université de Bordeaux), Pessac
« Nanoparticules magnétiques et structures auto-assemblées avec (ou sans) polymères »

Cette année le prix de thèse a été attribué à Frédéric Biscay   et à Ali-Abou-Hassan  

Les lauréats recevront leurs prix à Autrans lors de 11e journée francophones des jeunes physico chimistes, à l’issue de leurs conférences.

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