Faits marquants 2015

10 mars 2015

Comprendre l’interaction de l’eau avec la matière est une question scientifique qui intéresse des domaines aussi divers que les sciences de la terre, la médecine, la préservation du patrimoine, mais aussi l’industrie. Dans le cadre des études sur le stockage des déchets nucléaires vitrifiés en couches géologiques profondes, il est connu depuis une vingtaine d’année que l’interaction de l’eau avec le verre de confinement conduit à la formation d'un gel de corrosion en surface et d’une couche d'interface de très faible épaisseur enrichie en silice. Cette couche est dite passivante, car elle diminue de plusieurs ordre de grandeur la vitesse de dissolution des espèces solubles. Elle pourrait alors devenir une couche protectrice du colis pour des durées géologiques.

L’élucidation des mécanismes à l’échelle atomique qui expliquent cette passivation reste aujourd’hui une question scientifique ouverte. Après une préparation spécifique marquée isotopiquement, des équipes de la DEN et de la DSM ont pu obtenir une couche passivante particulièrement épaisse (> 1µm). Il a alors pu être montré qu’elle ne résultait pas d’une reprécipitation de la silice en solution et qu'elle conduit à la formation de pores sub-nanométrique qui confinent et piègent l’eau, ceci limitant considérablement son pouvoir d’hydrolyse. Favoriser la formation et la stabilité de telles couches offre donc de nouvelles perspectives pour augmenter la durabilité des verres de stockage.

 

19 octobre 2015

Depuis sa découverte le graphène suscite un intérêt considérable du fait de ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. Il se présente aujourd’hui comme l’un des nano-objets les plus prometteurs dans de nombreux domaines d'applications allant de l'électronique à la production et au stockage d’énergie. Au-delà de l’obtention de graphène en grande quantité et à bas coût, la qualité des feuillets de graphène et de leur assemblage sont bien entendu déterminants pour garantir les performances des dispositifs. Ces 3 conditions forment un pré-requis indispensable aux développements industriels.

Une nouvelle méthode de formation de films ultra-minces d'oxyde de graphène a été développée et optimisée par une équipe de l'IRAMIS. Cette méthode est basée sur le transfert d'un film d'eau stabilisé par des tensioactifs et contenant les nano-objets à assembler. La qualité structurale des films et du traitement de réduction du graphène, ainsi que les propriétés optiques et électriques obtenues ont été caractérisées. Les résultats montrent que les électrodes réalisées sont particulièrement performantes. Des cellules solaires prototypes basées sur des hétérojonctions silicium/carbone ont pu être élaborées par ce procédé, qui présente plusieurs avantages indéniables du point de vue de sa simplicité et de la qualité du produit obtenu.

 

Plusieurs voies permettent d’obtenir du graphène. Le graphène obtenu par clivage mécanique (c'est à dire par la méthode historique dite "d'exfoliation au scotch") est d’excellente qualité et a permis les principales avancées scientifiques. Cependant, cette technique n'est pas transposable à grande échelle. Récemment, la croissance de graphène par CVD (chemical vapor deposition) sur surface métallique a fait d'immenses progrès et permet d'obtenir des feuillets de grande qualité et de superficie croissante. Par ailleurs, les voies reposant sur l’exfoliation en voie humide du graphite, composé abondant sur Terre, sont considérées comme les plus adaptées à l’obtention de graphène en très grande quantité et à moindre coût. Mais malgré les progrès récents, l’exfoliation directe du graphite en solution aqueuse ou organique mène généralement à l’obtention de feuillets multicouches et de très faibles dimensions.

Il existe une autre voie pour obtenir en grande quantité ces feuillets carbonés (Figure 1). Cette voie repose sur une première étape d’oxydation du graphite qui entraîne une fonctionnalisation des plans de graphène par des groupements oxygénés. Cette fonctionnalisation se traduit par une augmentation de la distance entre les plans et confère au matériau un caractère hydrophile particulièrement utile. La combinaison de ces deux propriétés facilite grandement l’exfoliation du graphite oxydé en milieu aqueux, et permet d’obtenir des feuillets monocouches d’oxyde de graphène en suspension dont la surface est bien plus grande que lors de l’exfoliation directe du graphite. En tant que métériau isolant, l’oxyde de graphène a des utilisations directes en nanochimie ou en biologie, mais il est nécessaire de le réduire pour recouvrer des propriétés physiques et électriques intéressantes, se rapprochant des propriétés du graphène.

10 mars 2015

Comprendre l’interaction de l’eau avec la matière est une question scientifique qui intéresse des domaines aussi divers que les sciences de la terre, la médecine, la préservation du patrimoine, mais aussi l’industrie. Dans le cadre des études sur le stockage des déchets nucléaires vitrifiés en couches géologiques profondes, il est connu depuis une vingtaine d’année que l’interaction de l’eau avec le verre de confinement conduit à la formation d'un gel de corrosion en surface et d’une couche d'interface de très faible épaisseur enrichie en silice. Cette couche est dite passivante, car elle diminue de plusieurs ordre de grandeur la vitesse de dissolution des espèces solubles. Elle pourrait alors devenir une couche protectrice du colis pour des durées géologiques.

L’élucidation des mécanismes à l’échelle atomique qui expliquent cette passivation reste aujourd’hui une question scientifique ouverte. Après une préparation spécifique marquée isotopiquement, des équipes de la DEN et de la DSM ont pu obtenir une couche passivante particulièrement épaisse (> 1µm). Il a alors pu être montré qu’elle ne résultait pas d’une reprécipitation de la silice en solution et qu'elle conduit à la formation de pores sub-nanométrique qui confinent et piègent l’eau, ceci limitant considérablement son pouvoir d’hydrolyse. Favoriser la formation et la stabilité de telles couches offre donc de nouvelles perspectives pour augmenter la durabilité des verres de stockage.

 

07 septembre 2015

Alors que 98 % des produits chimiques organiques sont issus du raffinage du pétrole et du gaz naturel, l’utilisation de déchets de la biomasse pour la production des plastiques, solvants, peintures… permettrait d’améliorer la contribution de l’industrie chimique au développement durable. Si la lignine contenue dans les parois des cellules de bois représente la source la plus abondante de composés aromatiques renouvelables, seule la production de vanilline exploite actuellement cette ressource pour l’isolement d’un produit aromatique, avec de surcroit un rendement faible de 0.3 %. Cette limitation provient de la nature complexe de la lignine qui est un polymère hétérogène, chimiquement inerte et dont la nature varie avec l’espèce de bois.

En développant une nouvelle stratégie de dépolymérisation, alliant des catalyseurs sans métaux à des réducteurs chimiques, les chimistes du NIMBE ont développé un nouveau procédé permettant de récupérer des composés aromatiques sous une forme pure à partir de 15 espèces de bois différentes. Les rendements, de 0.5 à 2.4 %, dépassent largement ceux de l'état de l’art.

 

27 juin 2015

Les matériaux polymères ont envahi notre quotidien car ils allient un faible coût et une grande facilité de production à des propriétés polyvalentes. Issus essentiellement de la pétrochimie, ces plastiques posent néanmoins la question de la gestion des déchets qu’ils engendrent.

Seule une faible portion de déchets plastiques est actuellement recyclée et les procédés présentent un faible intérêt économique et environnemental, nécessitant de nouvelles solutions qui s’accordent avec l’évolution des législations.

Pour répondre à cette problématique, les chimistes du Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Énergie (LCMCE) de l'IRAMIS/NIMBE ont récemment développée un procédé de dépolymérisation de matériaux polyéthers, polyesters et polycarbonates, en utilisant des catalyseurs sans métaux fonctionnant à la température ambiante.

 

27 septembre 2015

En seulement 20 ans, les batteries d'accumulateurs rechargeables lithium-ion se sont imposées sur le marché de l’électronique portable, en particulier grâce à l'amélioration de leurs performances avec l’usage d’anodes de graphite. Le mécanisme de leur activité électrochimique repose sur l’intercalation du lithium entre les plans de graphène auxquels il transfère ses deux électrons. La capacité maximale d’insertion correspond à la formation du composé LiC6, qui équivaut à une capacité théorique de 372 mAh.g-1, encore considérée comme insuffisante pour une application aux véhicules électriques. La recherche de nouveaux matériaux d’anode reste donc très active. L’insertion conjuguée du Li avec un autre métal électropositif (Ca, Eu, …) au sein du graphite permet de dépasser cette stœchiométrie (ex : Li3.0-3.2Ca2.1-2.3C6).

La présente étude montre tout l'intérêt des méthodes de mesures de concentration offertes par la microsonde nucléaire du NIMBE pour étudier l'élaboration de telles électrodes en phase ternaire.

 

04 mars 2015

Les batteries assurent le stockage de l’énergie sous forme chimique. Pour les applications nomades (téléphonie), l'automobile (batteries de puissance) ou des installations de réseau électrique, les batteries d'accumulateurs lithium-ion sont aujourd'hui une solution attractive. Mais à l'usage, les phénomènes de vieillissement limitent leur durée de vie, ce qui constitue un inconvénient majeur pour tous les dispositifs autonomes mobiles alimentés par ce moyen. En particulier dans l’industrie automobile, les véhicules hybrides et électriques nécessitent un système de stockage de l’énergie réversible particulièrement performant du fait de la puissance mise en jeu et du grand nombre de cycles de charge-décharge.

La maîtrise de la durée de vie des batteries lithium-ion est ainsi un enjeu important et il est nécessaire de bien comprendre les mécanismes du vieillissement des batteries, afin de proposer les meilleures solutions pour y remédier, et de disposer des bons diagnostics pour améliorer la fiabilité des dispositifs [1]. Or, les études de vieillissement sont généralement longues et particulièrement coûteuses. Une collaboration entre deux équipes du CEA et le Laboratoire de Chimie-Physique, UMR 8000 CNRS Université Paris Sud, vient de montrer, que les outils de la chimie sous rayonnement permettent d'accélérer le vieillissement (en quelques heures, voire quelques minutes, à comparer à des semaines et des mois d'utilisation en conditions normales), tout en permettant de comprendre finement la réactivité des systèmes et de déterminer précisément les mécanismes de réaction impliqués. Ce résultat est publié dans Nature Communication [2].

02 décembre 2015

De par leur principe même, les méthodes de datation au carbone 14 sont normalement réservées pour dater les vestiges de matière vivante qui ont eu des échanges avec l'atmosphère (animaux, végétaux, etc…). Dans les procédés sidérurgiques anciens, la source d'énergie était le charbon de bois, dont le carbone est encore présent en faible quantité au sein des aciers. C'est ce qui permet aujourd'hui une datation au carbone 14 fiable de pièces en alliages ferreux.

Cette méthode élaborée par l'équipe du "Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l'Altération - LAPA" du NIMBE avec le "Laboratoire de Mesure du Carbone 14 - LMC14" du LSCE, et en collaboration avec le Département d'Anthropologie de l'Université de l'Illinois, a permis de dater très précisément des agrafes métalliques issues du temple du Baphuon d'Angkor au Cambodge. Ces données ont permis de revoir la datation du temple (construction initiale et remaniement) et d'identifier le roi bâtisseur (Suryavarman Ier - 1010–1050 CE).

En retour, ce résultat conforte cette méthode d'étude de matériaux métallurgiques anciens, qui au-delà du fer des cathédrales et maintenant des temples d'Angkor, pourra être étendue et contribuer à résoudre de nombreuses autres énigmes archéologiques.

 

 

 

Retour en haut