Quelques applications industrielles de la chimie des radiations

Dossier : Les nanosciencesMagazine N°702 Février 2015
Par Marie-Claude CLOCHARD
Par Travis WADE
Par Jean-Eric WEGROVE

Les défauts créés sous irra­di­a­tion dans les polymères ini­tient de nou­velles polyméri­sa­tions. Ce « greffage », dit radio-induit ou « radi­ogr­effage », de matière polymère sur une matière polymère exis­tante per­met de cumuler les pro­priétés de dif­férents matériaux.

REPÈRES

La chimie des radiations est née de la recherche de Marie Curie. Elle continue de nos jours avec de nouvelles sources de rayonnements ionisants de plus en plus intenses (Cyclotron, Synchrotron, Lasers).
Au Laboratoire des solides irradiés (LSI), unité mixte de recherche « CEA-École polytechnique-CNRS », les polymères solides irradiés ont été étudiés pour connaître leur dégradation lors de leur utilisation dans le gainage de fils électriques dans les centrales nucléaires et dans l’empaquetage des déchets nucléaires.
Une nouvelle branche s’attache au cumul des propriétés de différents matériaux afin de répondre à des demandes dans les domaines de l’énergie, de l’environnement, de la santé et plus largement, des nanotechnologies en général.

Le radiogreffage

La recherche dans ce domaine depuis les dix dernières années a ciblé essen­tielle­ment des nanoob­jets (fibres, nanopar­tic­ules) et des objets nanos­truc­turés par fais­ceau d’ions lourds accélérés (films, mem­branes) afin de fab­ri­quer des élé­ments de petite taille, aug­menter des effets con­nus macro­scopique­ment par l’accroissement des sur­faces d’échange et appro­fondir les connaissances.

Irradiation pour l’automobile

Les radi­a­tions ion­isantes les plus util­isées sont les élec­trons, les rayons γ ou X. L’énergie est déposée de façon aléa­toire dans le sub­strat polymère et les domaines gref­fés sont donc dis­tribués de façon homogène.

“ Cumuler les propriétés de différents matériaux ”

Les par­tic­ules ion­isantes telles que les ions pro­duits par irra­di­a­tion aux ions lourds rapi­des induisent le long de leur tra­jec­toire dans le solide un tracé con­tinu d’excitations et d’ionisations menant à la for­ma­tion d’une « trace » dite latente.

L’énergie déposée est ultralo­cal­isée le long du pas­sage de l’ion et un « radi­ogr­effage » hétérogène en présence de monomère vinylique a lieu.

PIÉGER LE MERCURE

L’étude menée pour l’amélioration de la sensibilité des capteurs a permis de faire évoluer la technique de radiogreffage.
La méthode conventionnelle souffrait jusque-là d’un défaut : la masse moléculaire et la polydispersité des chaînes de polymères greffées n’étaient pas contrôlées.
Ce problème peut désormais être résolu grâce à la mise au point récente d’une technique de polymérisation appelée Reverse addition-fragmentation transfert (RAFT).
Une application en voie de transfert vers l’industrie est la fabrication de petits capteurs avec des entités capables de piéger spécifiquement le mercure.

Le « radi­ogr­effage » ion­ique est influ­encé par plusieurs paramètres : les con­di­tions d’irradiation (flux, tem­péra­ture, atmo­sphère), les con­di­tions de polyméri­sa­tion et la nature du sub­strat polymère utilisé.

Une appli­ca­tion brevetée de ce « radi­ogr­effage » dans les « traces latentes » a con­sisté à créer des mem­branes polymères élec­trolytes pour les piles à com­bustible (appli­ca­tion auto­mo­bile). De plus, ces mem­branes ont aus­si la pro­priété de pou­voir fonc­tion­ner en pile avec des taux d’humidité rel­a­tive bas, ce qui est un avan­tage pour cette application.

Ultrafiltration pour la nano-électronique

Les traces latentes peu­vent être révélées et des « pores » de diamètres nanométriques cylin­driques, coniques ou biconiques peu­vent être obtenus. La géométrie finale des pores dépend du rap­port entre la vitesse d’attaque dans la trace et la vitesse d’attaque radi­ale dans le sub­strat polymère.

Ces mem­branes nanoporeuses à traces attaquées, con­nues inter­na­tionale­ment sous l’appellation anglaise track-etched mem­branes sont com­mer­ciale­ment disponibles pour des appli­ca­tions en filtration.

Elles peu­vent être détournées de leur appli­ca­tion ini­tiale pour servir de patron ou masque pour faire croître dans les pores des nanofils métalliques par électrodéposition.

“ Étudier le vieillissement et la fatigue d’objets sous contrainte ”

Cette tech­nique, dite de tem­plate syn­the­sis, per­met l’étude des pro­priétés de trans­port dans des nanos­truc­tures. Ces nanofils (diamètre/longueur : 1/1 000) trou­vent leur appli­ca­tion en élec­tron­ique. Ils peu­vent égale­ment servir de mémoires mag­né­tiques logiques pour le stock­age de l’information.

Ces appli­ca­tions con­crètes en nanoélec­tron­ique impliquent des études fon­da­men­tales afin d’améliorer les prob­lèmes ren­con­trés sur ces petits objets comme leur vieil­lisse­ment et leur fatigue sous contrainte.

Les capteurs de métaux toxiques

Démon­stra­teur cap­teur de métaux toxiques.

Le radi­ogr­effage peut être ini­tié non seule­ment dans les traces latentes, mais égale­ment dans les traces attaquées. La polyméri­sa­tion rad­i­calaire est en effet pos­si­ble dans les petits diamètres de pores (< 100 nm) à par­tir des rad­i­caux résidu­els présents sur les parois.

Cette démon­stra­tion a été faite sur un polymère semi-cristallin. Des études ont éten­du cette pro­priété à d’autres polymères. Des développe­ments récents ont abouti à la réal­i­sa­tion de petits cap­teurs de métaux tox­iques pour éval­uer la qual­ité de l’eau.

Textile et médical

Ne sont ici décrites que les appli­ca­tions sur des films de polymères, mais l’irradiation peut bien enten­du s’appliquer à toutes sortes de forme.

Cer­tains objets comme des nanopar­tic­ules radi­ogr­ef­fées ont servi de nanomatéri­aux bio­com­pat­i­bles pour des appli­ca­tions en médecine (vec­tori­sa­tion d’agents de con­traste pour l’imagerie médicale).

D’autres, sous forme de fibres, ont égale­ment un poten­tiel dans l’industrie tex­tile et médicale.

LE NANOPORE UNIQUE

Un pore unique dans un solide suscite un grand intérêt pour les études de translocation relatives au séquençage de l’ADN ou du repliement des protéines (industrie pharmaceutique).
En abaissant le flux des ions lors de l’irradiation et en coupant le faisceau au bon moment, des membranes polymères à trace unique sont obtenues.
Des études de transport sont ainsi possibles. Les effets de confinement permettent de stimuler ou freiner les ions qui traversent ce canal suivant leur nature.
Cette étude sur la conductivité dans un nanocanal intéresse les batteries lithium-ion.

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