Mirela Dragomir

Jožef Stefan Institute Ljubljana, Slovenia

Thursday 14th march 2024

Synthesis and Crystal Growth of Geometrically Frustrated Magnets

Most magnetic materials exhibit long-range magnetic order at low temperatures. However, in geometrically frustrated magnets, the topology of the lattice prevents long-range magnetic order down to temperatures close to absolute zero, leading to a strong degeneracy of the ground state. Low-dimensional quantum spin systems that exhibit geometric frustration are of particular interest, as the frustration in these systems is believed to be closely linked to the emergence of exotic states of matter, such as superconductivity. Although they have intriguing magnetic properties, the physical realization of such systems is still scarce and they are poorly understood. In my talk, I will present several compelling examples of materials that crystallize with magnetic lattices that are geometrically or topologically prone to frustration, and talk about our efforts to synthesize new phases and grow them as single crystals.

Brief CV: Dr. Mirela Dragomir completed her Ph.D. in Slovenia then moved to Canada for a postdoctoral fellowship on frustrated magnetism with prof. John E. Greedan at McMaster University. She then returned to Slovenia as a Marie Skłodowska-Curie Individual Fellow and co-founder of the Extreme Conditions Chemistry Laboratory, ECCL. She currently works at the Jožef Stefan Institute as a Research Associate and is an Assistant Professor at the Jožef Stefan International Postgraduate School. Her main research interests cover structure-properties relationship in inorganic materials such as oxides and fluorides, as well as mechanochemical synthesis and crystal growth of quantum materials.
She is also an Associate Editor of Acta Chimica Slovenica for the Inorganic and Materials Science section, the President of the Committee for the Slovenian Chemical Society (SKD) Awards and the Secretary of the Division of Solid State and Materials Chemistry for the European Chemical Society (EuChemS).

 

Gilles Frapper

Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP)

Jeudi 8 février 2024

Quand Darwin rencontre Mendeleïev : prédire les matériaux à partir d’algorithmes évolutionnaires (génétiques) et de calculs quantiques

L’utilisation de la simulation numérique pour déterminer la structure cristalline d’un composé, sur la base de la seule connaissance de sa composition chimique, est un défi majeur en Science des Matériaux. La tâche est loin d’être triviale : il s’agit d’identifier l’arrangement structural de plus faible énergie parmi des millions de structures possibles. Pour illustrer ce défi, l’arrangement de vingt atomes dans une boîte – une maille de répétition de forme et de volume variables – peut a priori générer plus de 10²¹ structures possibles qui se situent sur la surface d’énergie potentielle (PES). S’il fallait 1 heure de calcul pour déterminer numériquement l’énergie associée à chaque structure optimisée, le temps de calcul nécessaire dépasserait l’âge de l’univers… La problématique “Crystal Structure Prediction, CSP” peut se résumer à cette question : comment accéder au puits d’énergie le plus bas (minimum global sur la PES) tout en monopolisant un minimum de ressources informatiques ?

Cet exposé présentera une méthode d’auto-apprentissage (machine learning) pour l’exploration de la PES d’un composé cristallin, un algorithme évolutionnaire (génétique) combiné à des calculs de la fonctionnelle de la densité (DFT). Je décrirai brièvement les fondements conceptuels de cet algorithme CSP, qui repose sur les concepts de la théorie de l’évolution darwinienne. J’illustrerai ensuite son utilisation en présentant quelques résultats récents issus de travaux menés dans mon groupe de chimie quantique appliquée de l’IC2MP à Poitiers : l’accent portera sur l’effet de la pression (0-100 GPa) sur les arrangements structuraux, l’émergence de nouvelles compositions inhabituelles dans notre chimie à pression atmosphérique, la prédiction de nouveaux systèmes 2D aux propriétés intéressantes, et autres bizarreries et découvertes in silico.

 

Corinne Chanéac

Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris, Sorbonne Université (LCMCP)

Jeudi 11 janvier 2024

La chimie du solide, source d’inspiration pour la conception de nanoparticules luminescentes

L’utilisation de nanoparticules luminescentes s’étend à de nombreuses applications qui exploitent soit leur capacité à émettre de la lumière, soit la variation de leurs paramètres de luminescence (temps de vie, intensité, position spectrale, largeur de la bande d’émission) en fonction d’une grandeur physique, lorsqu’elles sont excitées par une irradiation lumineuse. Dans le premier cas, les nanoparticules servent de sources de lumière brillantes, utilisées en imagerie biomédicale pour le diagnostic précoce des cancers ou pour le traçage cellulaire avec une excellente résolution spatiale. Dans le second cas, elles jouent le rôle de capteur pour des mesures locales, à l’échelle nanométrique de pression ou de température. Cette dernière application, plus connue sous le nom de nanothermométrie, est une thématique en pleine expansion.

Dans cet exposé, je montrerai le potentiel des nanoparticules inorganiques composées d’une matrice d’oxydes de semi-conducteur dopé par un centre coloré, un métal de transition, pour la conception de nanoparticules luminescentes. Le centre coloré dont les niveaux émetteurs sont localisés dans le gap de la matrice semi-conductrice, est sensible à son environnement local (force du champ cristallin) et périodique (structure cristalline), défini par la matrice hôte. Ainsi, la position spectrale dépend de la composition chimique de la matrice, l’intensité est corrélée à la symétrie des sites cristallographiques et la persistance de la luminescence à la présence de certains défauts cristallins. Ce sont autant de paramètres qui peuvent être ajustés par le biais des synthèses chimiques pour moduler les propriétés optiques de nanoparticules. J’illustrerai le propos pour des particules inorganiques dopées au chrome et montrerai un exemple de mesure de température au contact de bâtonnets d’or. Pour compléter ce propos, je terminerai en donnant d’autres exemples de nanoparticules luminescentes avec des excitations et des émissions dans le proche infra-rouge, pour une meilleure pénétration des tissus profonds et des performances accrues en imagerie in vivo.

 

Andrew Goodwin

Materials Chemistry University of Oxford

Jeudi 4 décembre 2023

Joint webinar Division de Chimie du Solide – SCF / Division of Solid State and Materials Chemistry – EuChemS

Truchet-tile architectures in materials chemistry

Truchet tilings are periodic arrangements of tiles decorated to lower their symmetry [1]. A generalised version of barcodes and QR codes, they combine elements of order and disorder in a way that allows efficient information storage [2]. This talk will explore the way in which the complex structures of some solid-state compounds – including a heavily disordered metal–organic framework [3] – can be understood in the context of Truchet tilings, and the prospect for exploiting Truchet’s approach as a central principle in the design of disordered materials with unconventional electronic and vibrational properties [4].

[1] Truchet, Mém. Acad. R. Sci. (Paris), 363 (1704)
[2] Smith & Boucher, Leonardo 20, 373 (1987)
[3] Meekel, Schmidt, Cameron, Dharma, Windsor, Duyker, Minelli, Pope, Orzio Lepore, Slater, Kepert & Goodwin, Science 379, 357 (2023)
[4] Roth & Goodwin, Nature Commun. 14, 4328 (2023)

 

Antoine Barnabé

Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT), Toulouse Centre de Microcaractérisation Raimond CASTAING, Toulouse

Jeudi 9 novembre 2023

À la découverte des composés CuMO2 (M = Fe, Cr) à structure Delafossite : stabilité, synthèse et propriétés optoélectroniques et thermoélectriques

Parmi les nombreux oxydes à base de Cu, les composés ternaires CuMO₂ à structure delafossite sont connus depuis longtemps et ont été largement étudiés dans les années 1970 pour leurs caractéristiques et propriétés remarquables. Depuis une vingtaine d’années, en raison de leurs structures et performances riches et flexibles, les delafossites ont suscité un regain d’intérêt dans le développement et la recherche de matériaux optoélectroniques fonctionnels. En tant que matériaux transparents semi-conducteurs de type p, ils représentent aujourd’hui l’une des principales solutions pour le développement jonctions p/n toutes inorganiques et transparentes, pierre angulaire de l’électronique transparente. Ils présentent également un fort potentiel dans la conversion d’énergie photovoltaïque et thermoélectrique, et sont également largement utilisés dans le domaine de la photocatalyse.

Dans cette présentation seront abordés plusieurs études sur ces matériaux delafossite CuMO₂ avec M = {Fe, Cr}. Ces travaux concernent à la fois la stabilité thermodynamique et les caractéristiques structurales de ces phases, l’élaboration de poudres par des méthodes basses température ou la croissance de films minces par pulvérisation cathodique RF, voire même l’utilisation très récente de post-traitements au laser sur divers substrats, pour le contrôle de leurs propriétés optoélectroniques et thermoélectriques.

Une brève présentation des moyens de caractérisation élémentaire, structurale et microstructurale de la plateforme de microcaractérisation CASTAING, plateforme mutualisée du site Toulousain, viendra compléter cette présentation.

 

Christian Masquelier

Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS), Amiens

Jeudi 12 octobre 2023

Cristallochimie et Electrochimie des Solides : voyage au cœur des matériaux d’électrodes positives pour batteries (Li-Ion ou Na-Ion)

Les matériaux de batteries Li-Ion ou Na-Ion, les électrodes positives et les électrolytes solides en particulier, sont pour l‘essentiel des composés inorganiques dans lesquels les métaux alcalins (Li+ ou Na+) doivent diffuser, plus ou moins rapidement ou réversiblement.[1-2]

En tant que tels, ils présentent des propriétés fondamentales très intéressantes de transformations de phase lors de l’insertion/extraction d’ions alcalins et également en fonction de la température. Le cristallochimiste dispose ainsi d’une formidable aire de jeu ! De plus, les propriétés électrochimiques et physiques de ces matériaux, aux structures cristallines très variées, dépendent fortement du contrôle précis de leur synthèse et de leur stœchiométrie.

Dans cette conférence, j’aborderai plusieurs exemples illustrant les phénomènes d’ordre-désordre dans les matériaux de batteries d’intérêt: LiMn2O4 [3] LiFePO4 [4,5], LiVPO4F [6] Na3(Ti,Fe,V)2(PO4)3 [7-10], Na3V2(PO4)2F3 [11-12], Na3PS4 [13-14], Li6PS5Cl. Ces recherches ont été menées à Orsay et Amiens sur plus d’une vingtaine d’années, en forte collaboration avec de nombreux Laboratoires français (ICMCB Bordeaux, UCCS Lille, ILL Grenoble, CEMHTI Orléans, SOLEIL, …) et étrangers (ALBA, NUS Singapour, Univ. Bath, ICMAB Barcelone, …).

[1] C. Masquelier, L. Croguennec, Chemical Reviews, 113(8), 6552-6591 (2013)

[2] P. Adelhelm, M. Casas-Cabanas, L. Croguennec, I. Hasa, A. Koposov, S. Mariyappan, C. Masquelier, D. Saurel, J. Power Sources, 482, 228872 (2021)

[3] J. Rodriguez-Carvajal, G. Rousse, C. Masquelier, M. Hervieu, Phys. Rev. Letters, 81, 1460, Nov. 23 (1998)

[4] C. Delacourt, P. Poizot, J.M. Tarascon & C. Masquelier, Nature Materials, 4, 254–260 (2005)

[5] P. Gibot, M. Casas-Cabanas, L. Laffont, S. Levasseur, P. Carlach, S. Hamelet, J-M. Tarascon & C. Masquelier, Nature Materials, 7, 741-747 (2008)

[6] J. M. Ateba Mba, E. Suard, C. Masquelier, L. Croguennec, Chem. Mater. 24(6), 1223-1234 (2012)

[7] H. Kabbour, D. Coillot, M. Colmont, C. Masquelier, O. Mentré, J. Am. Chem. Soc., 133(31), 11900-11903 (2011)

[8] J.N. Chotard, G. Rousse, R. David, O. Mentré, C. Masquelier, Chem. Mater., 27(17),5982-5987 (2015)

[9] S. Park, J. N. Chotard, D. Carlier, I. Moog, M. Courty, M. Duttine, F. Fauth, A. Iadecola, L. Croguennec & C. Masquelier, Chem. Mater. 33(13), 5355-5367 (2021)

[10] S. Park, Z. Wang, Z. Deng, I. Moog, P. Canepa, F. Fauth, D. Carlier, L. Croguennec, C. Masquelier & J. N. Chotard, Chem. Mater., 34(1), 451-462 (2022)

[11] M. Bianchini, N. Brisset, F. Fauth, F. Weill, E. Elkaim, E. Suard, C. Masquelier, L. Croguennec, Chem. Mater., 26(14), 4238-4247 (2014)

[12] T. Broux, F. Fauth, N. Hall, M. Bianchini, T. Bamine, J.-B. Leriche, E. Suard, D. Carlier, L. Simonin, C. Masquelier & L. Croguennec, Small Methods, 3, 1800215 (2019)

[13] T. Famprikis, F. Fauth, E. Suard, B. Fleutot, M. Courty, J. N. Chotard, S. Islam & C. Masquelier ACS Materials Letters, 1, 641-646 (2019)

[14] T. Famprikis, U. Kudu, J. Dawson, P. Canepa, F. Fauth, E. Suard, M. Zbiri, D. Dambournet, O. Borkiewicz, H. Bouyanfif, S. Emge, C. Grey, S. Cretu, J.N. Chotard, W. Zeier, M. S. Islam & C. Masquelier, J. Amer. Chem. Soc., 142(43)

 

Thierry Cardinal

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)

Jeudi 14 septembre 2023

Verres oxydes de composition exotique : Particularités structurales et impacts sur les propriétés optiques

Les verres oxydes de composition exotique non silicatés tels que les matrices de verre de phosphate, de germanate ou de gallate sont particulièrement intéressants pour les applications photoniques en offrant par exemple des propriétés originales de photosensibilité ou des domaines de transparence étendus dans l’infrarouge. Ces matrices peuvent permettre l’incorporation de fortes concentrations d’ions de transition, d’ions terre rare ou d’ions métalliques. En effet, la structure de réseaux phosphate ou gallo-germanate s’adapte lors de l’introduction de ces ions. Ces matériaux peuvent offrir de nouvelles opportunités pour la fabrication de composants et de dispositifs avancés utilisant l’écriture directe par laser (DLW – Direct Laser Writing) et sont souvent compatibles avec différentes techniques de mise en forme comme le fibrage.

Les enjeux de réduction de taille des composants et des systèmes photoniques incitent en effet à s’intéresser à de nouvelles compositions mais également à structurer en trois dimensions, jusqu’à de très petites échelles, la composition du verre. Dans le cas des verres phosphate et de l’introduction d’ions argent ou de bismuth, la photosensibilité du matériau peut être modulée afin d’inscrire par laser femtoseconde des motifs luminescents ou présentant des variations d’indice de réfraction locaux à des petites échelles en dessous de la limite de diffraction. Ces effets résultent de phénomènes d’oxydo réductions, de la mobilité des espèces et de la formation d’agrégats.

Parmi les verres d’oxydes de métaux lourds, les verres de type gallo-germanate de métaux lourds suscitent un intérêt croissant car ils permettent de combiner une fenêtre de transparence étendue dans l’IR jusqu’à 5,5 µm, une bonne durabilité chimique et des propriétés mécaniques qui se rapprochent de celles de verres silicates. Une étude détaillée des phénomènes de cristallisation a permis récemment de proposer des compositions vitreuses compatibles avec les techniques de fabrication de fibres optiques à partir de préformes de verre. Ces matrices se révèlent également bien adaptées à la formation de nanostructures suite à l’irradiation laser ou à l’incorporation de fortes concentrations d’ions terre rare pour des applications magnéto-optiques.

Dans la présentation, le déploiement de techniques complémentaires de caractérisation comme la luminescence, la spectroscopie d’absorption, la spectroscopie vibrationnelle ou la RMN sera discuté afin de permettre d’établir des relations entre la structure du réseau vitreux, les phénomènes d’oxydo-réduction et les propriétés physiques.

 

Valérie Demange

Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR)

Jeudi 13 juillet 2023

Nanofeuillets d’oxyde : templates de germination pour la croissance orientée de couches minces

Les films minces d’oxydes complexes, présentant des propriétés fonctionnelles telles que la ferroélectricité ou la conductivité électrique associée à une transparence optique dans le visible sont des composants clef des dispositifs modernes. Ces propriétés sont associées à leurs orientations mais aussi à leurs qualités cristallines et microstructurales en relation avec la croissance. Les films minces épitaxiés sont obtenus par croissance sur substrats oxydes monocristallins (tels que SrTiO3) lesquels présentent une compatibilité chimique et de faibles désaccords de maille dans le plan avec le film. Cependant, ces substrats sont coûteux et de taille limitée. D’autre part, la croissance d’oxydes fonctionnels directement sur des substrats à bas coût comme le silicium et le verre conduit à des films amorphes ou polycristallins avec des propriétés limitées. L’introduction d’une couche tampon est nécessaire sur de tels substrats pour obtenir l’épitaxie d’oxydes complexes. Parmi les solutions proposées pour l’intégration de ces films d’oxydes, les nanofeuillets oxydes ont été identifiés depuis quelques années pour induire une croissance préférentielle associée à une grande qualité cristalline sur plusieurs types de substrats bas coût tels que silicium, verre, mica, polymères et feuilles métalliques [1]. Ces nanofeuillets sont obtenus par exfoliation d’oxydes lamellaires, tels que les phases KCa2Nb3O10 et K0,8Ti1,73Li0,27O4 et NaxMoO2. Ils présentent des systèmes cristallins à 2 dimensions de mailles carrée, rectangulaire ou hexagonale, permettant la reprise de croissance d’oxydes pérovskites orientés préférentiellement selon les directions [001], [011] et [111] respectivement. Les nanofeuillets sont transférés sur les substrats à bas coût par les méthodes de Langmuir-Blodgett et drop-casting [2] adaptés pour le transfert de nano-objets sur substrats par voie liquide. Nous montrerons la possibilité d’intégrer des films minces de pérovskites tels que La0.67Sr0.33MnO3 [3], KNbO3 [4], BiFeO3 [5], SrVO3 et CaVO3 sur verre, silicium et mica [6], mais aussi des phases de structures autres (Pt, TiO2) et l’impact des microstructures induites par les nanofeuillets sur les propriétés des films. En perspectives, nous présenterons qu’outre ces propriétés structurales permettant la reprise d’épitaxie d’autres matériaux, certains nanofeuillets présentent également des propriétés fonctionnelles intéressantes, tel que du ferromagnétisme à température ambiante.

[1] M.A. Timmerman, R. Xia, P. T. P. Le, Y. Wang, J. E. Elshof, Chem. Eur. J., 26, 1 (2020).

[2] Y. Shi, M. Osada, Y. Ebina, T. Sasaki, ACS Nano, 14, 15216 (2020).

[3] A. Boileau et al. ACS Appl. Mater. Int., 11, 37302-37312 (2019).

[4] F. Baudouin et al. Thin Solid Films, 693, 137682 (2020).

[5] V. Bouquet, et al. Thin Solid Films, 693, 137687 (2020).

[6] A. Boileau et al. Adv. Funct. Mater., 32, 2108047 (2022).

 

Romain Gautier

Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), Nantes

Jeudi 8 juin 2023

Découverte de nouveaux matériaux en laboratoire assistée par le machine learning

La découverte de nouveaux matériaux dotés de propriétés spécifiques est une tâche complexe en raison des effets drastiques que de très légères modifications de leur chimie et/ou de leur structure cristalline peuvent avoir sur ces propriétés. De plus, de nombreux paramètres expérimentaux peuvent souvent influencer la chimie et les structures des matériaux, ce qui peut rendre très difficile l’identification de ces paramètres et la mise en place de stratégies pour optimiser les propriétés. Le machine learning peut être un outil très utile dans de telles situations.

 Après une brève introduction sur le potentiel du machine learning en science des matériaux, je présenterai deux familles de matériaux que nous avons récemment étudiées à l’aide de ces outils : (i) les silicates dopés aux terres rares et (ii) les halogénures de métaux hybrides. Les outils du machine learning tels que les arbres de décision, les forêts aléatoires et les réseaux de neurones artificiels ont été utilisés pour identifier les paramètres expérimentaux clés nécessaires à la conception de luminophores avec des couleurs de photoémission spécifiques, pour optimiser le rendu de couleurs pour les luminophores à température de couleur corrélée réglable, ou pour identifier automatiquement les types structuraux à partir des diagrammes de diffraction des rayons X sur poudre de nouveaux composés.

 

Olivier Masson

Institut de recherche sur les céramiques (IRCER), Limoges

Jeudi 11 mai 2023

La méthode de la PDF : un outil d’analyse structurale puissant et accessible en laboratoire

Au cours des 20 dernières années, l’utilisation de la fonction de distribution de paires atomiques (PDF) dans l’étude structurale de solides cristallisés a nettement progressé. Obtenue à partir de mesures de diffusion totale des rayons X, des neutrons ou encore des électrons, la PDF apporte en effet des informations souvent non accessibles avec les méthodes cristallographiques conventionnelles. Historiquement dédiée à l’étude des verres et très longtemps cantonnée aux expériences sur grands instruments, la méthode de la PDF tend à se démocratiser en laboratoire mais reste néanmoins encore confidentielle. Pourtant, dans le cas de solides complexes dont l’ordre local est mal décrit par la structure moyenne, elle permet d’accéder sans trop de difficulté à la structure locale, connaissance nécessaire à une bonne compréhension des propriétés physiques.

Dans cet exposé, nous présenterons la méthode de la PDF, son principe, les conditions expérimentales nécessaires à l’obtention de données de qualité et ses limites. Nous verrons comment les méthodes de simulation à l’échelle atomique (classique ou ab-initio) permettent d’aller plus loin dans l’analyse des PDF. Nous illustrerons le propos avec des travaux de recherche issus de l’IRCER portant sur des nanoparticules d’oxydes métalliques de dimension inférieure à 5 nm, des silicates de lanthane conducteurs ioniques à structure apatite, des composés « anti-verres » ou encore vitreux à base d’oxyde de tellure.

 

Tanguy Le Bahers

Laboratoire de Chimie de l’ENS Lyon

Jeudi 13 avril 2023

Comment la chimie quantique peut nous renseigner sur le fonctionnement des photocatalyseurs

La recherche de meilleurs rendements en photocatalyse est la principale force motrice du développement de nouveaux matériaux pour cette application. La chimie théorique et particulièrement la chimie quantique contribuent activement à cette recherche. La chimie quantique (la DFT dans le cas présent) permet la simulation d’une riche palette de propriétés comme les constantes diélectriques (électroniques et vibrationnelles), les spectres d’absorption, les masses effectives ou encore les énergies de liaison d’exciton avec une bonne fiabilité si le niveau de calcul est correctement choisi. De plus, il est maintenant possible de simuler les réactions électrochimiques se déroulant à la surface des (co)catalyseurs au moyen de la DFT grand canonique. En d’autres termes, la DFT permet la compréhension fine des mécanismes de la photocatalyse et contribue à la conception de nouveaux photocatalyseurs. L’objectif de cette présentation est d’illustrer les succès de la DFT dans l’étude des photocatalyseurs mais aussi les défis qu’il reste encore à relever dans ce domaine. La communication sera organisée en trois parties.

Dans la première, le principe de fonctionnement d’un photocatalyseur hétérogène sera présenté en soulignant les propriétés clefs que doit posséder un semiconducteur qui en découlent. Nous verrons ensuite la fiabilité de la DFT pour reproduire ces propriétés. Plusieurs familles de semiconducteurs seront passées en revus pour illustrer ces résultats : des oxysulfures (BiCuOS, BiAgOS) et des oxynitures (SrTaO2N).

Dans la seconde partie, nous nous intéresserons aux hétérojonctions entre des couches de matériaux lamellaires MoS2 et MoO3 (dopés). L’objectif est ici d’illustrer la possibilité de concevoir de nouvelles architectures ayant une structure électronique permettant de proposer des mécanismes de photocatalyse innovants. Ainsi, nous montrerons à partir de calculs DFT que les interfaces MoS2/MoO3 peuvent être considérées pour la photodissociation de l’eau à partir d’un mécanisme dit en Z.

La dernière partie de la présentation sera dédiée à la simulation des réactions électrochimiques sur des surfaces. Le principe de la DFT grand canonique sera présenté à partir du cas particulier de l’oxydation de l’eau sur une surface de CoOOH, un cocatalyseur développé pour la photodissociation de l’eau. Nous verrons comment la DFT permet de proposer des mécanismes réactionnels et ouvre des voies à l’optimisation des cocatalyseurs.

 

Christel Laberty-Robert

Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP), Paris

Jeudi 9 mars 2023

Apport des matériaux hybrides dans les dispositifs de conversion et de stockage de l’énergie

Il existe une variété de matériaux hybrides à composantes polymères ou inorganiques dont les propriétés dépendent de leur composition chimique, de leur assemblage et du contrôle des interfaces polymère/inorganique. Dans le domaine du stockage et de la conversion de l’énergie, le développement de matériaux hybrides répond souvent à la difficulté à trouver un matériau satisfaisant tous les critères de conduction, de mécanique, de processabilité, etc.[1] Les résultats contradictoires de la littérature en termes de propriétés soulignent combien il est difficile de les assembler et combien il est important de contrôler et comprendre les interfaces organique/inorganique. Leur nature chimique, leur structure sont liées aux procédés de mise en forme et à la chimie associée.

Dans cet exposé, nous discuterons des couplages chimie/procédés pour élaborer ces matériaux hybrides à travers des exemples dans le domaine de la conversion et du stockage de l’énergie. Nous prendrons un exemple autour de membranes hybrides à composantes polymères pour voir comment il est possible de « copier » la nanostructuration du « Nafion », pour en reproduire les excellentes propriétés de conduction en lui conférant de très bonnes propriétés mécaniques [2]. On s’intéressera également aux matériaux hybrides pour le stockage de l’énergie dans le contexte des batteries [3]. Si cette approche apparait prometteuse pour la réalisation de séparateurs, elle reste extrêmement contrastée dans le cas des électrolytes pour les batteries tout solide.

[1] Design and properties of functional hybrid organic-inorganic membranes for fuel cells, C. Laberty-Robert, K. Vallé, F. Pereira, C. Sanchez, Chemical Society Reviews, 40(2), 961-1005, 2011.

[2] Proton transport in electrospun hybrid organic-inorganic membrane: an Illuminating paradox, L. Dos Santos, M. Maréchal, A. Guillermo, S. Lyonnard, S. Moldovan, O. Ersen, H. Perrot, C. Laberty-Robert, Advanced Functional Materials, 26, 4, 594-604, 2016.

[3] Thin Fiber-Based Separators for high Rate Sodium Ion batteries, L. Coustan, J.M. Tarascon, C. Laberty-Robert, ACS Applied Energy Materials, 2, 12, 8369-8375, 2019.

 

Olivier Mentré

Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS), Villeneuve d’Ascq

Jeudi 9 février 2023

What layered iron compounds can offer, and more …

I will introduce recently-found 2D-compounds based on layers of Fe2+ (S=2) ions, in order to highlight how they form a unique platform for new paradigms on spin-dynamics and magneto-dielectric couplings. Here, the spin-degrees of freedoms and fine anionic compositions are the key-ingredients to tune the exchanges, crystal field … etc. Especially, I will show in a specific 2D-Ising-ferromagnet with giant magneto-crystalline anisotropy, how the collective freezing of magnetic domains mediates the passage from a soft to a ‘super-hard’ magnet. This unique situation offers various unexpected peculiarities including the ability to imprint any unreturnable magnetization to the sample within simple temperature/field cycles.

 

Pierric Lemoine

Institut Jean Lamour, UMR CNRS 7198, Université de Lorraine, Nancy

Jeudi 12 janvier 2023

Etudes structurales et cristallochimiques de sulfures de cuivre à propriétés thermoélectriques

L’étude des sulfures de cuivre a subi un regain d’intérêt considérable depuis quelques années suite à la mise en évidence de leur potentiel en tant que matériaux thermoélectriques, associé à l’absence d’éléments toxiques, chers ou stratégiques dans leurs compositions. Bien que certains de ces matériaux présentent intrinsèquement des propriétés intéressantes, l’optimisation de celles-ci, par le jeu de substitutions chimiques ou par l’utilisation de paramètres de synthèse variés, requiert la compréhension des relations reliant la (micro)structure aux propriétés. Cette compréhension nécessite une connaissance approfondie de la cristallochimie de ces matériaux. Compte tenu de la complexité des structures cristallographiques qui peuvent être rencontrées dans ces systèmes, certaines études structurales sont réalisées en combinant des techniques de caractérisation complémentaires : diffraction des rayons X, diffraction des neutrons, microscopie électronique en transmission et spectroscopies. En complément de ces caractérisations structurales, des études in situ de la réactivité chimique et des mécanismes associés sont également entreprises afin de déterminer les conditions favorables à l’obtention d’échantillons monophasés pour l’étude des propriétés mais également de connaître la limite d’utilisation en température de ces matériaux thermoélectriques en vue de futures applications.

Au cours de ce webinaire, je discuterai tout d’abord de manière globale des relations structure-propriétés thermoélectriques des sulfures de cuivre inorganiques avant de me focaliser sur les résultats récents que nous avons obtenus avec mes collaborateurs sur les phases colusite Cu26T2M6S32 (T = métal d, M = Ge, Sn, Sb) et germanite Cu22Fe8Ge4S32, et sur de nouveaux composés ternaires dans le système Cu-Sn-S.

 

Camélia Matei Ghimbeu

Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Jeudi 8 décembre 2022

Les carbones durs : des matériaux soutenables et performants pour les anodes de batteries à ion-sodium

Les systèmes d’énergie renouvelable font l’objet d’une attention tout particulière en tant que solution alternative de production, mais leur intermittence exige le développement de systèmes de stockage d’énergie améliorés. Aujourd’hui, les batteries Li-ion sont considérées comme l’une des technologies les plus avancées pour le stockage d’énergie. Cependant, les ressources en lithium sont limitées et distribuées de façon hétérogène dans le monde, d’où le besoin croissant d’alternatives pérennes. Le sodium, naturellement très abondant dans la croûte terrestre et l’eau de mer, est à l’origine du développement des batteries à ions sodium (NIBs). Les matériaux carbonés dit ”durs” (non-graphitisables) font l’objet d’un grand intérêt depuis la dernière décennie, pour l’utilisation en tant qu’anode dans les NIBs. Généralement, des précurseurs bio-sourcés et renouvelables sont utilisés pour leur fabrication afin de répondre aux critères environnementaux et industriels. De nouveaux précurseurs écoresponsables ont été étudiés et les propriétés des carbones obtenus finement caractérisées [1]. Des avancées dans la détermination de la nano-texture des carbones via l’adsorption de gaz non-conventionnels [2] furent obtenues afin de mieux comprendre la porosité de ces matériaux. De nombreuses corrélations synthèse – propriétés – performances récemment mises au point seront illustrées à travers quelques exemples. Les mécanismes de stockage du Na+ dans les carbones durs restent un enjeu fondamental pour améliorer les performances et les avancées dans cette direction seront présentées [3], [4]. La transposition à grande échelle de ces matériaux sera abordée [5] et le développement industriel des batteries Na-ion exposé.

[1] CM Ghimbeu, B Zhang, AM de Yuso, B Réty, JM Tarascon, Carbon 153, (2019) 634
[2] A Beda, C Vaulot, CM Ghimbeu, J Mater Chem A 9 (2021) 937
[3] CM Ghimbeu, J Gorka, V Simone, L Simonin, S Martinet, C Vix-Guterl, Nano Energy 44 (2018) 327
[4] A Beda, C Villevieille, P-L Taberna, P Simon, C Matei Ghimbeu, J Mater Chem A 8 (2020) 5558
[5] A Beda, F Rabuel, M Morcrette, S Knopf, PL Taberna, P Simon, CM Ghimbeu, J Mater Chem A 9 (2021), 1743

 

Jongwook Kim

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC) – Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau

Jeudi 10 novembre 2022

Tailoring Anisotropies in NIR-plasmonic Semiconductor Nanocrystals

Doped semiconductor nanocrystals are an emerging class of materials hosting localized surface plasmon resonance (LSPR). Their wide spectral range (from visible to the entire IR regions) and post-synthetic tunability through doping promise new plasmon-assisted active optical materials and devices. Recent studies discovered different semiconductor species that perform efficient LSPR. However, the nanocrystals’ structural impact on their LSPR remain poorly explored. This presentation illustrates how the structural factors collaborate to exhibit novel LSPR properties that are unseen from metal hosts. For instance, in hexagonal cesium-doped tungsten oxide (CsxWO3-y) nanocrystals, the crystalline anisotropy causes a strong LSPR band-splitting into two distinct and intense peaks. This finding highlights that multiple structural factors can be controlled to create and exquisitely tune the multimodal LSPR bands from semiconductors, while the shape anisotropy has been the unique means to tune metal LSPR. We also show the rapid and reversible modulation of LSPR by chemical and electrochemical charging/discharging of carriers in the plasmonic semiconductor nanocrystals, which is applicable to sensors and electrochromic smart windows.

 

Nathalie Viart

Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

Jeudi 13 octobre 2022

Ingénierie des oxydes de métaux de transition en couches minces

Les oxydes de métaux de transition offrent une palette de propriétés physiques d’une incroyable diversité. Ils peuvent être isolants ou supraconducteurs, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques, ferroélectriques, et combiner, voire coupler, plusieurs de ces propriétés. Ils sont actuellement parmi les matériaux les plus étudiés pour répondre aux défis auxquels l’électronique est confrontée en termes de réduction de taille des dispositifs et de besoins de nouvelles fonctionnalités. Je développerai ma présentation autour de trois familles d’oxydes à électrons fortement corrélés sur lesquels nous travaillons actuellement au laboratoire : nickelates, vanadates et ferrites. Je présenterai notamment nos stratégies de croissance de ces matériaux sous forme de couches minces par ablation laser pulsé pour le contrôle de leurs propriétés physiques, la caractérisation de leur structures tant atomique qu’électronique et leurs applications possibles en électronique de spin.

 

Fabrice Leroux

Institut de Chimie de Clermont-Ferrand

Jeudi 8 septembre 2022

Les Hydroxydes Doubles Lamellaires : quels défis à relever pour demain ?

L’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF) fondé en 2012 couvre de nombreuses disciplines de la chimie : chimie-physique, chimie organique et chimie des matériaux. Parmi les matériaux étudiés, les hydroxydes doubles lamellaires (HDL) constituent une thématique historique se réinventant sans cesse au fil des années. Depuis bientôt 25 ans, j’étudie avec mes collègues ces matériaux pour pleinement mettre à profit leur bi-dimensionnalité et leur versatilité afin de les utiliser comme matrice de confinement/relargage, charge fonctionnelle de polymère, en les poussant souvent à leur limite en termes d’expansion de leur espace inter-feuillets, de leur stabilité thermique, et en mettant aussi à profit leur atout comme leur forte capacité d’échange anionique mais également leur faiblesse comme leur instabilité à bas pH utilisée comme stimuli. A travers quelques exemples choisis, nous verrons comment les HDL sont souvent revisités pour le confinement bidimensionnel qu’ils procurent aux espèces hôtes organiques, les protégeant thermiquement, évitant leur migration, ou bien promulguant leur libération si souhaitée, tout ceci nous amenant souvent à définir ces matériaux comme de véritables « boites à outil ». Tour à tour charges de revêtement polymère pour embarquer des inhibiteurs de corrosion, des chromophores, mais aussi cargo de molécules à visée thérapeutique, précurseurs de matériaux d’électrode, les HDL apportent dans de très nombreux champs d’application des solutions originales pour les domaines de l’énergie, de la santé et de l’environnement. Que leur réserve l’avenir ? Saurons-nous davantage les développer pour qu’ils soient à la pointe de nouvelles avancées et leur assurer certains transferts technologiques ?

 

Alain Demourgues

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)

Jeudi 7 juillet 2022

Le fluor au cœur des composés à anions mixtes en chimie du solide

En élaborant des solides contenant plusieurs anions pour lesquels l’affinité électronique, l’électronégativité et la polarisabilité diffèrent, les interactions coulombiennes et de Van der Walls au sein d’un réseau de symétrie particulière vont contribuer dans une première approche, à modifier radicalement la distribution électronique dans le solide et la charge portée par ces anions. En associant des anions plus durs comme le fluor ou l’oxygène à des anions plus mous comme les chalcogènes (S, Se, Te), les pnictogènes (P, As, Sb) ou même les tétrèles (Si, Ge, Sn) des phénomènes de liaisons antagonistes ou des effets inductifs apparaissent respectivement au niveau de blocs ioniques et de blocs covalents [1]. Des transformations topotactiques peuvent également opérer au sein de ces réseaux qui présentent souvent un caractère bidimensionnel. La simple association oxygène-fluor obtenu à partir de synthèses hydrothermale ou solvothermale accompagnées d’un traitement thermique peut également donner lieu à des phases métastables qui présentent de surcroît des lacunes cationiques voire anioniques [2]. A partir de ces nouvelles compositions et édifices structuraux, la gestion des bandes de valence et de conduction au sein de ces composés polyanioniques représentent un enjeu majeur dans le domaine de l’électronique, de l’optique ou encore de la catalyse.

Ainsi la multiplication des éléments parmi les plus électronégatifs mais également polarisables au sein du réseau va permettre de générer des variations de charges partielles importantes autour de ces éléments qui s’accompagnent de façon étonnante d’une faible variation d’énergie propre à l’affinité électronique. Nous verrons ainsi comment la coexistence d’éléments plus ou moins électronégatifs comme le fluor, l’oxygène, le soufre ou l’hydrogène, de polarisabilité et de taille variable, va permettre par effets antagonistes ou concurrentiels d’accroître la densité d’états au niveau de Fermi. Des instabilités d’origine électronique apparaissent avec ces densités d’états très particulières de la matière où certaines orbitales deviendront particulièrement polarisables ou déformables. En scrutant divers composés à anions mixtes et leurs structures cristallines tels que des oxy-fluoro-sulfures, des fluoro-hydrures voire des fluoro-siliciures où vont coexister dans ce dernier cas des liaisons ioniques et des liaisons métalliques, des instabilités électroniques et/ou magnétiques peuvent apparaître et donner lieu le cas échéant à des phénomènes de supraconductivité [3].

[1] D. Pauwels, F. Weill F, A. Tressaud and Demourgues A. Rare earth oxyfluorosulfides : a new class of compounds with modulated structure. Chem. Mater., 18, 26, 6121-6131, 2006

[2] Duttine. M, Dambournet. D, Penin. N, Carlier. D, Bourgeois. L, Wattiaux. A, Chapman. K. W, Chupas. P. J, Groult. H, Durand. E, Demourgues. A. Tailoring the composition of a mixed anion iron based fluoride compound: Evidence for anionic vacancy and electrochemical performance in lithium cells. Chem. Mater., 25 (14) 4190-4199, 2014

[3] J.B. Vaney, B. Vignolle, A. Demourgues, E. Gaudin, E. Durand, C. Labrugère, F. Bernardini, A. Cano and S. Tencé, Topotactic fluorination of intermetallics : a novel route towards quantum materials. Nature Commun., 13, 1462, 2022

 

Philippe Boullay

Laboratoire de Cristallographie et Sciences des Matériaux (CRISMAT), Caen

Jeudi 9 juin 2022

3D ED : un puissant outil de caractérisation structurale pour la chimie du solide

La cristallographie des matériaux nanocristallins a connu une véritable révolution au cours des dix dernières années, grâce à l’introduction de protocoles d’acquisition (ADT, PEDT, cRED, microED …) et d’analyse des données de diffraction d’électrons en faisceau parallèle. Ces approches, réunies sous la dénomination générique 3D ED [1], permettent d’analyser des cristaux de taille nanométrique et d’obtenir des données de qualité permettant la détermination de la structure cristalline d’un nombre croissant de matériaux, à une échelle inaccessible par d’autres techniques. Après une introduction à la méthode, où nous expliciterons les différentes approches existantes, nous illustrerons quelques-unes des applications de la 3D ED pour différents types d’échantillons et de problématiques. A la fin de cette présentation, nous aborderons les limites de la 3D ED et les développements récents visant à rendre cet outil encore plus accessible et performant.

[1] M. Gemmi et al., “3D Electron Diffraction: The Nanocrystallography Revolution”, ACS Central Science 5 (2019) 1315-1329.

Lien vers la vidéo du webinaire : ici

 

Laurent Cario

Institut des Matériaux Jean Rouxel, Nantes

Jeudi 12 mai 2022

Une topochimie basée sur l’activité redox des anions dans des composés (oxy)chalcogénures

Les composés lamellaires de métaux de transition sont des matériaux très étudiés en raison de leurs propriétés électroniques et magnétiques non conventionnelles. Une recherche intense porte sur la conception raisonnée de ce type de matériaux en s’appuyant soit sur des techniques de prédiction structurale soit sur des techniques de chimie douce dites topochimiques. Les réactions topochimiques, qui permettent d’intercaler ou désintercaler des ions de matériaux hôtes tout en conservant leurs structures, constituent en effet l’une des méthodes les plus efficaces pour concevoir des matériaux lamellaires métastables. Au cours des dernières décennies, les réactions topochimiques reposant sur l’activité redox des cations ont été largement étudiées. A l’inverse les réactions topochimiques basées sur l’activité redox des anions ont été beaucoup moins explorées. Cet exposé donnera un aperçu des premières études démontrant l’activité redox des anions notamment chalcogénures. Il montrera ensuite comment l’intercalation topochimique basée sur l’activité redox des anions peut être utilisée pour concevoir des matériaux (oxy)chalcogénures lamellaires présentant des propriétés et/ou des fonctionnalités intéressantes.

 

Fabien Delpech

Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets, Toulouse

Jeudi 14 avril 2022

Les nanocristaux de phosphures métalliques : enjeux et défis pour des nanomatériaux plus durables

Grace à des propriétés optiques modulables avec la taille, les nanocristaux semi-conducteurs -NCx SC- sont passés en moins de deux décennies d’un statut de curiosités de laboratoire à celui d’outils thérapeutiques ou de briques élémentaires pour les affichages LED. Toutefois, les NCx SC utilisés dans de nombreux dispositifs se composent principalement d’éléments toxiques comme le cadmium ou le plomb. Au cours de ma présentation, je détaillerai les défis associés au développement des NCx d’InP qui focalise l’attention depuis une décennie en raison de la faible toxicité de ses éléments constitutifs. Les stratégies qui ont été mises en place au Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets pour des synthèses maîtrisées et des propriétés optimisées seront présentées. Enfin, je décrirai les perspectives concernant de nouveaux phosphures métalliques pour la préparation de nanomatériaux plus respectueux de l’environnement..

 

Enric Canadell

Institut de Ciència de materials de Barcelona (CSIC), Bellaterra, Spain

Jeudi 10 mars 2022

Liaison chimique, instabilités et manipulation de la structure électronique dans les trichalcogénures de métaux de transition

Les chalcogénures des métaux de transition ont été étudiés pendant longtemps et certains d’entre eux sont à l’origine de la physique de basse dimensionnalité.  La possibilité de préparer des systèmes avec une, deux,……n-couches de ces matériaux de façon contrôlée a relancé l’interet pour ces systèmes. Néanmoins, même à l’état bulk il reste un considerable nombre de questions à explorer, comme par exemple le polymorphisme. Dans cette présentation on va considérer certaines de ces questions en soulignant la relation entre la structure crystalline et la structure électronique, ce qui permet non seulement de comprendre les observations experimentales mais aussi de suggérer la possible manipulation des propriétés. On va illustrer ces questions à l’aide de systèmes comme TaSe₃, TiS₃ et différents polymorphes de NbS₃, aussi bien en bulk qu’en single-layer.

 

Gilles Wallez

Institut de Recherche de Chimie Paris

Jeudi 10 février 2022

Le blanc de plomb, signature physico-chimique de grands maîtres de la peinture

Pigment inégalé dans l’histoire de l’art, le blanc de plomb est un mélange à base de cérusite PbCO₃ et d’hydrocérusite Pb₃(CO₃)₂(OH)₂, issus de la corrosion du plomb. L’analyse par microdiffraction synchrotron d’œuvres picturales de la Renaissance révèle cependant une étonnante diversité de formulations et de microstructures qu’une exploration physico-chimique du système PbO-CO₂ permet de mieux comprendre. En mettant en regard l’œuvre et la re-création, cette approche tente de retrouver des procédés oubliés, véritables signatures des grands maîtres.

Initié en collaboration entre l’Institut de Recherche de Chimie-Paris et le Centre de Recherche et de Restauration des Musées de France, ce programme a également impliqué plusieurs instituts et musées français et néerlandais.

Gilles Wallez est professeur de Sorbonne Université. Enseignant en Cristallographie et Chimie des Matériaux Inorganiques, il est responsable de l’équipe Physico-Chimie des Matériaux Témoins de l’Histoire de l’IRCP à Chimie ParisTech, en lien avec le C2RMF.

 

Céline Darie

Institut Néel, Grenoble

Jeudi 13 janvier 2022

 

 

Synthèses sous hautes pressions – hautes températures : vers la découverte de nouveaux oxydes. Exemples dans les domaines de la frustration magnétique et le multiferroïsme

Au cours des dernières décennies, la haute pression (> 1GPa) a été utilisée dans différents domaines de recherche allant des sciences de la terre à la physique des solides, la chimie et la science des matériaux. A l’Institut Néel de Grenoble, un parc instrumental unique et de pointe est dédié à la synthèse à l’état solide, à la croissance cristalline et à la caractérisation des matériaux dans des conditions extrêmes.

           Dans cette présentation, nous commencerons par une description de ces installations à haute pression (jusqu’à 15GPa) et à haute température (jusqu’à 1500°C), avec une extension aux développements récents.

           Dans une deuxième partie, nous présenterons deux études de synthèses HP-HT dans le domaine de la recherche de nouveaux matériaux pour des concepts modèles en physique. Le cas d’une nouvelle forme d’une phase liquide de spin Ba₃NiSb₂O₉ obtenue sous haute pression-haute température sera présentée. Le deuxième exemple décrira la stabilisation de nouveaux composés dans la série NaLnCoWO₆ (Ln = terres rares), une nouvelle classe de composés potentiellement multiferroïques. En effet, des concepts théoriques ont prédit la possibilité de générer de la ferroélectricité par la rotation des octaèdres d’oxygènes dans des structures dérivées de la structure pérovskite : c’est la « Ferroélectricité Hybride Impropre ».

 

Thierry Loiseau

Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS), Lille

Jeudi 2 décembre 2021

 

 

La chimie des matériaux de type Metal Organic Framework (MOF) et leur utilisation dans le domaine de l’énergie nucléaire

En deux décennies, le développement de la famille des matériaux microporeux de type Metal-Organic Framework (MOF) a connu un engouement considérable en raison de leurs innombrables applications dans des domaines aussi variés que l’adsorption et la séparation des gaz, la catalyse, médecine, etc. Ces solides cristallisés reposent sur des assemblages 3D bien définies, construits à partir de briques inorganiques reliés par des ligands organiques, délimitant un système de tunnels et/ou cavités, et pouvant offrir des porosités remarquables avec des surfaces spécifiques très élevées (jusqu’à 7000 m².g^-1).

Dans cette présentation, nous nous intéresserons au domaine particulier de l’énergie nucléaire et les potentialités offertes par les matériaux MOFs, pour leur utilisation dans ce champ d’application. Du point de vue de la nature des éléments métalliques, nous montrerons qu’il est possible d’étendre la famille des composés MOF à la dernière rangée du tableau périodique, constituée par les actinides (Th, U, …). Les propriétés des MOFs en tant qu’adsorbants, peuvent être mises à profit pour le piégeage des radionucléides, notamment ceux disséminés rapidement dans l’environnement, suite à un accident de réacteur nucléaire. Dans ce contexte, les espèces visées sont les molécules gazeuses des isotopes radioactifs de l’iode-131 ou du ruthénium-103/-106 (sous forme RuO₄). L’emploi de composés MOFs modèles (par ex : UiO-66) est particulièrement efficace pour la capture de ces éléments volatils. Dans le cas de l’iode, nous montrerons l’importance de la fonctionnalisation du ligand organique espaceur et l’évolution chimique au sein de la matrice poreuse dans la famille des UiO-n. Le dernier aspect concernera les études de la résistance des solides MOFs dans les conditions drastiques d’un environnement nucléarisé, soumis à des irradiations intenses. L’effet du rayonnement gamma sur la structure des MOFs sera ainsi exploré.     

Mathieu Pasturel

Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Jeudi 4 novembre 2021

 

Chimie exploratoire de nouveaux intermétalliques à l’uranium : de composés aux propriétés physiques exotiques à des matériaux pour le nucléaire

Plus lourd des éléments naturels, l’uranium possède des propriétés chimiques et physiques fascinantes.

D’un côté, ses 92 électrons et ses orbitales 5f lui permettent d’acquérir de nombreux états de valence et une chimie et une cristallochimie très riches. L’extension radiale assez prononcée de ces orbitales lui confère un caractère intermédiaire entre les métaux de transition et les terres rares, et les électrons 5f peuvent posséder un caractère dual et itinérant [1], donnant naissance à des phénomènes physiques exotiques tels que la coexistence de ferromagnétisme et de supraconductivité [2].

D’un autre côté, le caractère fissile de l’isotope 235 en fait l’élément de base de la filière nucléaire, tant pour la production d’énergie que de neutrons ou d’isotopes pour l’imagerie médicale.

Au cours de cette présentation, je montrerai comment nos axes de recherche sur les composés intermétalliques à base d’uranium à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes s’articulent et se complètent. Nos travaux s’étendent de la recherche exploratoire de nouvelles phases jusqu’à la mise en forme de matériaux pour des applications dans le domaine du nucléaire (énergie et médical). À titre d’exemple, je montrerai comment l’étude de la réactivité de l’alliage combustible gU(Nb) avec sa matrice d’aluminium nous a conduit à la synthèse de monocristaux du composé magnétiquement frustré U₆Nb₄Al₄₃ [3]. Sa structure est basée sur des atomes magnétiques d’uranium formant des doublets « isolés ». Elle s’inscrit entre des aluminures à atomes [4] et à triangles [5] d’U « isolés » et pourrait permettre de mieux comprendre l’effet de la dimensionnalité sur le comportement physique dans ces systèmes.

[1] G. Zwicknagl, P. Fulde, J. Phys.:Cond. Matter, 15 (2003) S1911.

[2] D. Aoki, K. Ishida et J. Flouquet, J. Phys. Soc. Jpn., 88 (2019) 022001 pour une revue.

[3] C. Moussa et al., J. Alloys Compd., 691 (2017) 893.

[4] R. Troć et al., Intermetallics, 107 (2019) 60 et références associées.

[5] R. Troć et al., Phys. Rev. B, 85 (2012) 064412.

Benjamin Abecassis

Laboratoire de Chimie, ENS de Lyon

Jeudi 7 octobre 2021

 

 

Les nanoplaquettes colloïdales sont des nanoparticules 2D recouvertes d’une monocouche de tensionactifs. Elles présentent des propriétés optiques originales en raison de leur épaisseur controlée à la couche atomique près. Je présenterai nos recherches récentes sur la synthèse et les mécanismes de formation de ces objets. Je montrerai également qu’il est possible de les assembler dans des structures supra-particulaires au sein desquelles des échanges de type FRET ont lieu. Enfin, je montrerai que ces plaquettes peuvent adopter différentes formes comme des cylindres ou des hélices et discuterai ce polymorphisme dans le cadre de la mécanique des plaques minces.

Valérie Keller

Institut de Chimie et des Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé (ICPEES), Strasbourg

Jeudi 2 septembre 2021

 

 

La photocatalyse hétérogène pour les carburants solaires et la dépollution : les enjeux et les verrous à surmonter

Bien que les propriétés de photoconversion de certains oxydes semi-conducteurs, comme TiO₂, aient déjà été mis en évidence il y a plus de 4 décennies, certaines limitations ont restreint jusqu’à présent ce domaine d’étude à l’échelle du laboratoire, en raison des rendements encore trop limités qui ont freiné l’extension des procédés associés. Les deux challenges majeurs, afin de permettre à ces procédés de devenir viables, sont (i) l’augmentation du rendement de photoconversion, qui consiste à pouvoir utiliser de manière plus efficace les photons et (ii) l’utilisation directe de la lumière solaire, plus précisément des longueurs d’ondes du spectre visible. Pourtant, les avancés réalisées dans le domaine de la compréhension, de la caractérisation fine, du contrôle de la synthèse des nanomatériaux, ainsi que du génie des photo-réacteurs ont permis de surmonter certains de ces verrous pour arriver à des objets d’un niveau de maturation plus élevé, permettant d’envisager une intégration dans des dispositifs utilisés de manière efficace dans les domaines de l’énergie, de la santé et de l’environnement.

Ainsi, pour ce faire, parmi les principales stratégies mises en œuvre, nous pouvons relever :

• le dopage (cationique, anionique, co-dopage) de semi-conducteurs à grande bande interdite,
• la synthèse de semi-conducteurs à bande interdite plus faible,
• le couplage intime entre semi-conducteurs, dont l’un possède une bande interdite faible (photosensibilisation dans le visible et formation d’hétérojonctions) pour une meilleure utilisation du spectre solaire et une meilleure séparation des charges,
• le dépôt de nanoparticules (bi-)métalliques induisant des effets co-catalytiques et/ou plasmoniques de surface,
• les différentes morphologies (1D, 2D, 3D) et assemblages de semi-conducteurs,
• les améliorations de surface spécifique et de la porosité,
• l’association avec des adsorbants
• les combinaisons de ces différentes approches

Parmi ces différentes voies d’optimisation des matériaux photocatalytiques, quelques stratégies seront abordées et différents exemples seront donnés et discutés pour la production de carburants solaires (production d’H₂, réduction du CO₂), et pour la dépollution et décontamination de l’air et des surfaces.

Laurence Croguennec

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)

Jeudi 1er juillet 2021

 

 

Connaitre intimement le matériau développé pour optimiser ses propriétés à l’électrode positive de batteries Métal-ion

Après une introduction sur les recherches menées plus largement dans le groupe « Energie : Matériaux et Batteries » de l’ICMCB pour le développement de nouveaux matériaux pour le stockage électrochimique de l’énergie, nous montrerons à travers quelques exemples que les propriétés (potentiel redox, réversibilité, rapidité de charge et de décharge etc.) des matériaux d’électrode positives pour batteries peuvent être modulées en jouant notamment sur leur compositions anioniques et cationiques et sur leur structure cristalline. Nous illustrerons comment une approche de chimiste du solide permet de proposer des composés nouveaux, et d’identifier des mécanismes électrochimiques originaux afin de développer des matériaux optimisés pour les batteries. En effet, les réactions d’intercalation et de désintercalation d’ions (Li⁺, Na⁺, …) mises en jeu dans les générateurs électrochimiques ont le plus souvent lieu à des températures modérées, dans des conditions hors équilibre thermodynamique propices à l’obtention de phases métastables. La résolution de l’ensemble des problèmes inhérents au fonctionnement d’une électrode nécessite bien sûr la caractérisation fine du matériau initial qui, bien qu’étant absolument indispensable, ne constitue en fait que la première étape. En effet, lors des réactions d’intercalation / désintercalation, des modifications structurales, électroniques, texturales et de surface, parfois irréversibles, peuvent se produire et altérer les performances du matériau et donc du système électrochimique. L’intime connaissance de tous ces processus est essentielle à la compréhension et à l’optimisation d’un système et requiert notamment de développer des expériences aux grands instruments, in situ et/ou operando, en diffraction et spectroscopie d’absorption des rayons X et en diffraction des neutrons.

Jean Daou

Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M)

Jeudi 3 juin 2021

 

 

Mise en Forme de Zéolithes pour le Piégeage de Composés Organiques Volatils

La contamination moléculaire en orbite est l’une des problématiques majeures rencontrée par les acteurs du domaine spatial.¹ En effet, lorsque les satellites sont en orbite, les molécules organiques contenues dans les peintures, adhésifs ou encore les colles utilisés dans la conception des satellites peuvent dégazer et ainsi former des films ou des gouttelettes en se déposant sur les surfaces sensibles comme les instruments optiques et électroniques ou encore les surfaces de contrôle thermique ce qui a pour conséquence d’endommager ces équipements. Parmi les matériaux poreux testés pour l’adsorption de ces polluants organiques, les zéolithes se sont avérées être les plus efficaces de par leur capacité à piéger ces molécules présentes à de très faibles concentrations dans les conditions spatiales.² La synthèse des zéolithes conduisant généralement à des poudres qui seraient elles-mêmes source de contamination particulaire, une mise en forme de ces zéolithes (films, pastilles, billes, peintures) est donc nécessaire.^3-5 Nous avons montré en collaboration avec l’Agence spatiale française (CNES) que ces objets zéolithiques pouvaient être utilisés avec succès pour adsorber les composés organiques volatils dans les satellites, notamment avec une pastille de zéolithe piégeant les polluants au sein de l’instrument ChemCam embarqué sur le robot Curiosity envoyé sur la planète Mars (figure 1).^3-5

1. J.L. Perry, NASA Technical Memorandum, 1995, 108497, 4-9.
2. I. Deroche, T.J. Daou, C. Picard, B. Coasne, Nature Communications, 2019, 10(1), 4642.
3. M. Diboune, H. Nouali, M. Soulard, J. Patarin, G. Rioland, D. Faye, T.J. Daou, Microporous Mesoporous Mater., 2020, 307, 110478.
4. G. Rioland, T.J. Daou, D. Faye, J. Patarin, Microporous Mesoporous Mater., 2016, 221, 167-174.
5- J. Patarin, T.J. Daou, G. Rioland, D. Faye, Porous zeolite-based materials as adsorbent for molecular decontamination, 2016, WO2016120407A1; FR3031915A1, 2017, EP3250318A1; 2018, FR3031915B1.

Danielle Laurencin

Institut Charles Gerhardt de Montpellier (ICGM)

 

6 mai 2021

L’oxygène… un élément dont on a encore beaucoup à apprendre

L’oxygène est présent dans la majorité des molécules et matériaux qui nous entourent. Afin de mieux comprendre la structure et réactivité de différents systèmes, il y a donc un réel intérêt à pouvoir sonder le voisinage local de cet élément, afin d’identifier les liaisons dans lesquelles il est impliqué.
La RMN de l’oxygène-17 apparaît naturellement comme la technique de choix. Cependant, c’est une technique très peu sensible, l’abondance naturelle de l’oxygène-17 n’étant que de 0.04%. Ceci implique que dans la majorité des cas, l’enrichissement isotopique en ^1-yO est nécessaire avant de pouvoir procéder à des analyses haute résolution. Or, les protocoles d’enrichissement étaient jusqu’à récemment peu attractifs, du fait de leur coût très élevé (généralement plusieurs centaines d’euros par synthèse), leur durée (pouvant atteindre plusieurs semaines), et/ou la nature des réactions mises en jeu (impliquant l’utilisation de réactifs ou de dispositifs expérimentaux délicats à manipuler).
Dans ce contexte, nous avons récemment orienté nos recherches vers le développement de voies d’enrichissement alternatives basées sur la mécanochimie. Nous montrerons ici comment l’utilisation de cette technique de synthèse permet d’enrichir en oxygène-17 une variété de composés organiques et inorganiques d’intérêt, de manière simple, rapide, et peu onéreuse. De plus, nous montrerons comment grâce à cet enrichissement, il devient désormais possible de sonder par RMN le voisinage des atomes d’oxygène situés à la surface et aux interfaces de (nano)matériaux, et ainsi accéder à des informations structurales inédites.

Vincent Hardy

Laboratoire de Cristallographie et Sciences des Matériaux (CRISMAT)

1er avril 2021

 

La transition «État de spin / État de valence» dans les oxydes de cobalt

Un type de transition très particulier est observé dans une classe de perovskites de cobalt, impliquant une modification d’états de spin et de valence, ainsi qu’un changement structural, mais sans mise en ordre magnétique. Je présenterai une approche phénoménologique de cette transition, en se basant sur des caractérisations physiques et l’analyse des paramètres cristallochimiques. Un modèle thermodynamique sera ensuite proposé, et la compétition entre cette transition et le ferromagnétisme sera analysée dans la série (Pr_1-ySm_y)_0.7Ca_0.3CoO₃.

Mathieu Allix

Laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (CEMHTI)

4 mars 2021

Nouveaux matériaux hors-équilibre par cristallisation du verre ou du liquide fondu

La cristallisation à partir du verre ou du liquide à haute température est une voie de synthèse originale permettant l’élaboration de nouvelles phases cristallines hors-équilibre.

Le contrôle (partiel) des phénomènes de nucléation et de croissance, au moyen de traitements thermiques et de compositions adaptées, permet ainsi de synthétiser des matériaux originaux non accessibles par réaction solide classique. Ces matériaux innovants montrent fréquemment des phénomènes d’ordre et de désordre (micro)structuraux. L’utilisation couplée de techniques de caractérisation telles que la diffraction, la microscopie électronique et la spectroscopie RMN permet alors une description fine et multi-échelle ouvrant la voie vers la compréhension et la maitrise de certaines propriétés observées.