Equipe Chimie et Design Macromoléculaire (CDM)

Les activités de recherche de l’équipe de Chimie et Design Macromoléculaire (CDM) sont centrées sur la conception et l’étude de systèmes polymères présentant des propriétés physico-chimiques et thermomécaniques innovantes. Les travaux s’articulent autour de quatre thématiques qui se recoupent en de nombreux points.

Thème 1. Réseaux et formulations incorporant des liens covalents dynamiques

La conception et l’étude de systèmes polymères incorporant des liens covalents dynamiques est une des thématiques centrales des activités de l’équipe CDM. Un axe de recherche consiste à développer de nouvelles chimies d’échange. Ces travaux, menés de façon indépendante ou en collaboration (avec l’équipe CMC de l’unité C3M, le groupe de Filip Du Prez à Gent, l’équipe de Mathieu Pucheault de l’ISM à Bordeaux), ont permis de développer de nouvelles chimies et de concevoir des matériaux recyclables aux propriétés innovantes, des hydrogels injectables, ou des formulations thermo-associatives.

Un second axe de recherche vise à approfondir la connaissance de ces systèmes, et tout particulièrement à corréler la dynamique d’échange moléculaire, la fonctionnalité et la topologie des réseaux avec leurs propriétés macroscopiques. Certaines de ces études ont notamment été conduites dans le cadre du DN ReBond (lien) ou en collaboration avec le groupe du Prof. Evelyne Van Ruymbeke (UCL, Belgique).
L’équipe CDM collabore également activement avec le milieu industriel pour étudier, transférer et optimiser les chimies développées dans des domaines variés.

Thème 2. Assemblages supramoléculaires

L’assemblage supramoléculaire est un outil puissant pour créer des matériaux fonctionnels de nouvelle génération. Cette approche est basée sur l’exploitation d’interactions multivalentes non covalentes pour former des agrégats bien définis dans des conditions environnementales ciblées. Notre motivation est d’obtenir des matériaux recyclables, à la fois performants dans l’utilisation et faciles à mettre en œuvre.

Ce paradigme est illustré par nos travaux sur le polyéthylène. Dans le cadre de l’ANR PE-SUPRA conduite en collaboration avec le laboratoire CP2M de Lyon, nous avons modulé les propriétés thermiques et mécaniques de polyéthylène de faible masse molaire en fonctionnalisant ses extrémités de chaîne par des unités supramoléculaires, dont la dimérisation conduit à une structuration mésoscopique.
Dans d’autres axes de recherche en cours, nous cherchons à contrôler la cristallisation et l’adhésion de mélanges de polyoléfines au moyen de co-assemblages unidimensionnels, ou à exploiter des polymères supramoléculaires unidimensionnels fonctionnels pour améliorer les performances et la mise en forme des réseaux covalents dynamiques.
Notre équipe cherche également, en collaboration avec des groupes de recherche aux Pays-Bas et en Grèce, à identifier les principes fondamentaux qui relient la structure et les propriétés chiroptiques et viscoélastiques des coassemblages supramoléculaires.

Thème 3. Méthodologies de synthèse

La topologie et la fonctionnalité des macromolécules sont deux paramètres de choix pour contrôler les propriétés viscoélastiques et mécaniques des matériaux et formulations. La mise au point de méthodologies de synthèse permettant d’introduire de nouvelles fonctions et/ou de contrôler la topologie des polymères via des procédés simples, robustes, voire sans solvant, est une des thématiques de recherche de l’équipe.
La synthèse de structures branchées par télomérisation et la mise en forme réactive des polymères en sont deux exemples. Cette dernière est notamment utilisée pour transformer, via un procédé durable et économique, les polymères commerciaux en vitrimères, ou pour recycler les plastiques et leurs mélanges sans tri sélectif. Nos travaux sur l’upcycling de mélanges de polyéthylène et de polypropylène par extrusion réactive en sont un exemple.
Cette thématique illustre l’ambition de l’équipe CDM de combiner recherche fondamentale et projets présentant un fort impact sociétal.

Thème 4. Polymères à structuration hiérarchique

Le concept de structures hiérarchiques est un autre outil de choix, complémentaire de l’assemblage supramoléculaire, pour manipuler les propriétés physicochimiques, viscoélastiques, thermomécaniques et optiques des polymères semi-cristallins et/ou amorphes, ou de leurs alliages. La mise en forme réactive, les procédés de polymérisation, la séparation de phase, l’auto assemblage de molécules organiques ou de polymères, la chimie covalente dynamique sont ainsi mis à profit pour contrôler la structuration à l’échelle moléculaire, nanométrique et micrométrique des polymères.
En ajustant la cinétique de photopolymérisation de formulations acrylates, il est par exemple possible de créer des instabilités de surface dues au gonflement du film par des monomères résiduels. La forme et la taille des texturations dépendent, entre autres, de l’épaisseur du film ou de l’intensité du rayonnement UV. Ces morphologies confèrent au revêtement des propriétés optiques modulables (flou et clarté) .

Dans le cadre de l’ANR PRC DYNAMEX (avec le laboratoire CP2M de Lyon), nous avons étudié des films de latex, synthétisés selon le procédé PISA (Polymerization-Induced Self-Assembly), incorporant des liens dynamiques imines. Les particules ainsi produites sont constituées d’une écorce hydrophile et d’un cœur hydrophobe, dont la nature, entre autres, gouverne la structuration et les propriétés mécaniques et vitrimères des revêtements finaux.
Nous sommes également récemment parvenus à induire une structuration hiérarchique dans les matériaux semi-cristallins, via des procédés de coassemblages supramoléculaires. En utilisant une combinaison de techniques spectroscopiques, microscopiques, rhéologiques, calorimétriques, théoriques, et de diffusion des rayons X, nous avons élucidé comment de subtils changements dans la séquence d’un coassemblage supramoléculaire dictent le polymorphisme d’une matrice de polypropylène, à savoir une organisation de molécules qui s’étend sur plusieurs ordres de grandeur en termes de longueur.

Ces résultats constituent le socle de nouvelles études axées sur l’orientation non covalente de la structuration de mélanges complexes de polyoléfines, notamment dans le but d’améliorer leurs propriétés mécaniques après recyclage.

Notre équipe cherche également à exploiter le concept de séparation de phase pour moduler la réactivité chimique, par exemple lors de la mise en forme réactive des polymères, et les propriétés viscoélastiques et mécaniques des matériaux polymères.

Ainsi, en combinant des polymères incompatibles présentant des Tg différentes, nous sommes parvenus à concevoir des vitrimères présentant une "processabilité" et des propriétés mécaniques nettement améliorées.