Recherche thématique : PHOTOCHIMIE & MATÉRIAUX

Mots-clés

Auto-assemblages ; microfluidique ; nanostructuration ; photochimie ; photoconversion ; photolithographie ; photopolymérisation ; photostructuration ; plasmonique

Les progrès récents des sources de lumière laser de haute qualité offrent aujourd’hui un tel choix de longueurs d’onde d’irradiation (de l’extrême ultraviolet au proche infrarouge) et de dynamiques temporelles (jusqu’à la gamme des femto- voire attosecondes) que leur utilisation pour piloter la synthèse chimique et la fabrication de matériaux devrait révolutionner le domaine. Les photons agissent « sans trace » et « à distance », ce qui confère aux approches déclenchées par la lumière des avantages décisifs en termes d’écodurabilité et d’adaptabilité à tout type de géométrie de substrat. Afin de parvenir à une exploitation et un contrôle avancé des transformations chimiques et structurelles médiées par la lumière, il est devenu indispensable de disposer d’une expertise étroitement liée entre la photochimie, l’optique et les sciences des matériaux.

Cet axe vise à repousser les limites de l’efficacité de la photoréactivité, de la résolution spatiale des structures photoproduites et du contrôle ascendant des propriétés optiques et mécaniques des matériaux, par exemple sur la base d’une photostructuration nanométrique. Ces activités interdisciplinaires rassembleront les équipes françaises, avec une expertise pionnière dans la photopolymérisation, l’ingénierie photochimique, la microscopie à super-résolution, la plasmonique et les interactions laser-matière. Elles nécessiteront le développement concomitant de systèmes chimiques photoréactifs, de procédés de mise en solution, d’outils optiques accordables permettant une phototransformation rapide avec une grande homogénéité ou un contrôle spatial et de polarisation élevé, ainsi que la mise en œuvre de technologies basées sur l’intelligence artificielle pour gagner en rapidité et en reproductibilité dans la production d’objets à haute valeur ajoutée trouvant des applications dans tous les secteurs de l’industrie.Toutes ces questions seront abordées dans le cadre des trois défis scientifiques suivants, qui reposent sur des enjeux fondamentaux croisés, à savoir la photoactivation par l’utilisation d’un seuil de basse énergie grâce à des rendements quantiques de photoréaction élevés, la maîtrise de la diffusion des espèces réactives en ce qui concerne les échelles d’espace et de temps des processus appliqués, la génération d’architectures bien définies à l’échelle du nanomètre et la conception de structures optiques complexes et de métasurfaces à partir de régimes hors équilibre.

Renforcer la photoactivité et la photoconversion en solution

L’avènement de sources LED compactes et à émission réglable incite à générer une palette de nouvelles familles de composés organiques photoréactifs, servant entre autres de photoinitiateurs et de photocatalyseurs dans les domaines en plein essor de la polymérisation radicale contrôlée par la lumière, de la dépolymérisation, de la photodépollution et de la chimie verte. Étant donné que les transferts de masse et de chaleur sont des paramètres cruciaux régissant la cinétique de la réaction, la combinaison de sources lumineuses avec des technologies microfluidiques à flux continu (en particulier des réacteurs à micro/nano-gouttelettes) représente un deuxième champ d’investigation dynamique visant à améliorer considérablement la photoconversion grâce à des interfaces air/eau ou huile/eau améliorées et à une pénétration étendue de la lumière, par rapport aux processus classiques en discontinu.

Photostructuration exploitant le nanoconfinement de la lumière et de la matière

Comparés à la lithographie par faisceaux d’électrons, les processus pilotés par la lumière et contrôlés à l’échelle du nanomètre constituent des alternatives intéressantes pour des technologies rentables permettant de produire des nanoconstructions 3D innovantes comme des coupleurs optiques, des (bio)capteurs ou des actionneurs, entre autres. Le confinement spatial à l’échelle du nanomètre et le couplage optique fort d’espèces photoréactives (par exemple, photopolymérisables) avec des structures plasmoniques, des cavités optiques (donnant naissance à la chimie polaritonique) ou des guides d’ondes à mode zéro favorisent de nouveaux paradigmes excitants de photoréactivité, reposant sur l’échange d’énergie non linéaire et ouvrant la voie à une réactivité collective améliorée à faible énergie. Leur gestion et leur étude nécessitent des sondes locales et des microscopies à haute résolution spatiale telles que la déplétion par émission stimulée, la microscopie à reconstruction optique stochastique et la spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente, intelligemment exploitées en tant qu’outils d’écriture et d’analyse pour permettre le contrôle opératif du processus réactif.

Photofabrication bottom-up de larges surfaces optiquement actives

IIl est possible de fabriquer de grandes surfaces à géométrie complexe et de visualiser des structures fonctionnelles inférieures à 100 nm sur des domaines d’un mètre carré. L’irradiation pulsée ultrarapide exploite donc intelligemment la capacité des produits chimiques photoréactifs (complexes métalliques, molécules organiques) à s’auto-assembler spontanément après un transfert d’électrons ou d’énergie photoinduit, et génère des nanostructures hors équilibre à partir de forts gradients chimiques avec des propriétés macroscopiques encore inexplorées. Pour aller plus loin, l’extension aux polarisations exotiques, à l’excitation multiphotonique et aux impulsions ultracourtes intenses dans l’XUV ou l’infrarouge moyen ouvrira des perspectives passionnantes telles que la création de nouveaux modèles issus de la réactivité dirigée par les charges, rendue possible par les lasers attoseconde, et l’adaptation des matériaux à l’échelle de l’atome ou de la molécule.