Nanocristaux de cellulose asymétriques: synthèse, assemblages et propriétés fonctionnelles

par Fangbo Lin

Projet de thèse en Sciences des Polymères

Sous la direction de Bruno Jean.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec CEntre de Recherche sur les MAcromolécules Végétales (laboratoire) et de Structure et Propriétés des Glycomatériaux (equipe de recherche) depuis le 22-09-2017 .


  • Résumé

    Les nanocristaux de cellulose (NCC) ont été identifiés comme des briques de base particulièrement attractives pour la conception de matériaux biosourcés innovants à fort potentiel applicatif dans des domaines variés comme la construction aéronautique, le packaging, la récupération assistée du pétrole mais également les cosmétiques et le biomédical. En effet, ces nanoparticules sont issues d'une biomasse abondante et renouvelable, les fibres de cellulose, et possèdent des propriétés exceptionnelles comme une très grande surface spécifique (250 m2/g), une faible densité, et des propriétés mécaniques comparables à celles du Kevlar. De plus, ces particules non toxiques et biocompatibles sont depuis peu produites à une échelle industrielle, ouvrant ainsi la voie à leur commercialisation et leur disponibilité en grandes quantités. Une particularité intéressante des ces nanoobjets qui n'encore été que très peu exploitée est leur polarité chimique. En effet, le mode de biosynthèse conduit à des extrémités des bâtonnets différentes d'un point de vue chimique, ce qui permet d'envisager une fonctionnalisation asymétrique pour former des NCC Janus. La thèse consistera dans un premier temps à explorer différentes voies de synthèse de ces nouvelles particules et à cibler le greffage de différents motifs (nanoparticules, polymères stimulables ou molécules fonctionnelles) susceptibles de pouvoir s'associer avec leurs semblables sous certaines conditions. Par exemple, le greffage de nanoparticules d'or ou de polymères sera envisagé par greffage direct d'une nanoparticule ou d'un polymère présynthétisé (« grafting onto »), ou bien par croissance in situ des particules ou polymèrisation depuis la surface (« grafting from »). Après caractérisation de ces nanocristaux hybrides asymétriques, leurs propriétés d'auto-assemblage ou d'assemblage induit seront étudiées en fonction des paramètres physico-chimiques (application d'un stimulus ou d'un champ extérieur, force ionique…). Il est attendu qu'une grande diversité d'assemblages biou tridimensionnels originaux pourra être générée. Par exemple, il sera très intéressant d'étudier les propriétés structurales et optiques de phases cristal-liquides formées à partir de ces objets. Enfin, les propriétés macroscopiques, par exemple rhéologiques, de suspensions concentrées seront évaluées. L'objectif global de ce projet à l'interfaces chimie/physico-chimie est d'identifier les relations interaction-structure-propriété et de mener une approche multiéchelle, des nanoparticules aux matériaux. Des collaborations avec des chimistes et des biologistes sont envisagées pour explorer de nouvelles voies de synthèse efficaces. Le travail fera appel pour cela à une grande diversité de techniques de caractérisation de pointe comme des méthodes spectroscopiques (IR et RMN du solide), d'imagerie (MET, Cryo-MET, AFM, MEB), de diffusion de rayonnement (lumière, rayons X et neutrons) et de caractérisation mécanique (rhéologie).

  • Titre traduit

    Asymmetric cellulose nanocrystals : synthesis, assembly and functional properties


  • Résumé

    Cellulose nanocrystals (CNCs) have been identified as highly attractive building blocks for the design of innovative biosourced materials with a high application potential in various fields such as aeronautical construction, packaging, enhanced oil recovery, cosmetics or biomedical products. These nanoparticles are indeed derived from an abundant and renewable source, cellulose fibers, and possess exceptional properties such as a very large surface area (250 m2/g), a low density, and mechanical properties comparable to the one of Kevlar. Furthermore, these nontoxic and biocompatible nanoparticles are now produced at an industrial scale, thus paving the way for their commercialization and their availability in large quantities. An interesting feature of these nanoobjects, which has hardly been exploited yet, is their chemical polarity. Indeed, the biosynthesis leads to different extremities of the rods from a chemical point of view, which makes it possible to generate asymmetrically functionalized CNCs thans can also be called Janus CNCs. The PhD-student will firstly explore different "green" chemical synthesis pathways to prepare these new Janus particles. The goal will be to graft on one end of the rods different species (nanoparticles, polymers or functional molecules), which will be able to self-assemble under various conditions. Secondly, the self-assembly properties of these Janus CNCs will be studied as a function of different physico-chemical parameters (ionic strength, temperature, magnetic field…). It is expected that a large variety of original two- or three-dimensional assemblies will be generated. Finally, the functional properties, such as the rheological properties of concentrated suspensions of Janus CNCs, will be investigated. The overall objective of the project is to identify the interaction-structure-property relationships and to carry out a multi-scale approach, from nanoparticles to materials. The work will involve a wide variety of advanced characterization techniques such as spectroscopic (IR and solid-state NMR), imaging (TEM, Cryo-TEM, AFM, SEM), radiation scattering (light, X-rays and neutrons) and mechanical characterization (rheology) methods. The PhD project will be based on the very rich technical environment of CERMAV and on the long-lasting experience of the supervisor and colleagues in the field of nanocelluloses.