Paris, 29 AVRIL 2013

Un nouveau colorant ultra-brillant pour mieux sonder le cerveau
Pour obtenir des images en 3D de très haute résolution du système vasculaire cérébral, on utilise un colorant qui fluoresce dans le proche infra-rouge, lumière que la peau laisse passer. Un nouveau colorant, le chromophore Lem-PHEA, qui surclasse sensiblement les meilleurs colorants actuellement utilisés, vient d'être synthétisé par une équipe du Laboratoire de chimie (CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1). Menés en collaboration avec des chercheurs de l'Institut des neurosciences (Université Joseph Fourier - Grenoble / CEA / Inserm / CHU) et du Laboratoire Chimie et interdisciplinarité : synthèse, analyse, modélisation (CNRS / Université de Nantes), ces travaux viennent de paraître en ligne dans la revue Chemical Science. Ils ouvrent d'importantes perspectives pour mieux observer le cerveau et comprendre son fonctionnement.
Différentes techniques d'imagerie cérébrale, comme la microscopie biphotonique ou l'IRM, contribuent à comprendre le fonctionnement du cerveau sain ou malade. Une de leurs caractéristiques essentielles est leur résolution spatiale, c'est-à-dire la dimension des plus petits détails observables par chacune d'elles. Typiquement, pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), cette résolution est limitée à quelques millimètres, ce qui ne permet pas d'obtenir des images comme celle ci-dessous dont la résolution est cette fois de l'ordre du micromètre.

Pour obtenir de telles images du système vasculaire d'un cerveau de souris, il est nécessaire de disposer d'un colorant fluorescent qui doit réunir plusieurs propriétés : luminescence dans le proche infrarouge, solubilité dans les milieux biologiques, faible coût, non toxicité et qui permette l'imagerie 3D (absorption à deux photons). Les chercheurs viennent de mettre au point un nouveau colorant, le Lem-PHEA, qui réunit ces propriétés, et est facilement synthétisé. Injecté dans les vaisseaux sanguins d'une souris, il a révélé les détails du système vasculaire de cet animal avec une précision qui n'avait encore jamais été atteinte, grâce à une fluorescence nettement amplifiée par rapport aux colorants « classiques » (tels que les dérivés de la Rhodamin-B et des cyanines). Avec le Lem-PHEA, les chercheurs ont obtenu des images plus contrastées (en termes de brillance) qu'avec ces colorants usuels. Enfin, il est facilement éliminable par les reins et aucun résidu toxique n'a été retrouvé dans le foie. Ces résultats ouvrent d'importantes perspectives pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau.

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Paris, 18 JUIN 2012

Une membrane dynamique capable de s'auto-réparer
Les membranes, matériaux poreux utilisés notamment pour filtrer des liquides, constituent un marché en pleine croissance. Pourtant, leur conception peut encore espérer d'importantes améliorations. S'inspirant des membranes cellulaires, des chercheurs de l'Institut européen des membranes (CNRS / ENSCM / Université Montpellier 2), en collaboration avec l'Institut de chimie radicalaire (CNRS / Aix-Marseille Université) ont développé la première membrane dynamique pour la filtration de l'eau. En fonction de la pression de l'eau, celle-ci peut ajuster de façon autonome la taille de ses pores. De plus, elle est capable de s'auto-réparer en cas de défaillance, ce qui augmente sa durée de vie et renforce la sécurité sanitaire du produit filtré. Ces recherches viennent d'être publiées dans la revue Angewandte Chemie.
Les membranes, qu'elles soient constituées de céramiques ou de polymères, font l'objet de très nombreuses applications, notamment dans l'industrie pharmaceutique et agroalimentaire. Servant aussi à la potabilisation et à la désalinisation de l'eau, leur marché connaît une croissance de 10% par an. Les membranes utilisées jusqu'à présent sont des structures figées : la taille des pores ne peut pas être ajustée. De plus, elles peuvent subir des déchirements qui ne sont pas détectés immédiatement,  ce qui pose des problèmes de sécurité sanitaire.

En s'inspirant des membranes cellulaires, les chercheurs ont mis au point un nouveau type de filtre : une membrane dynamique dont on peut faire varier la taille des pores en fonction de la pression de l'eau qui les traverse. Celle-ci est constituée d'une association de trois polymères de solubilité différente. Ceux-ci forment des micelles, des nanoparticules en constante interaction les unes avec les autres. Jusqu'à une certaine pression, lorsque la force de l'eau augmente, ces micelles ont tendance à s'aplatir, et donc, à réduire la taille des pores dont la membrane est parsemée. Ainsi, à une faible pression de l'ordre de 0,1 bar, la taille des pores est d'environ 5 nanomètres1, ce qui permet de filtrer des macromolécules ou des virus. En augmentant modérément la pression, on obtient des pores de l'ordre de 1 nanomètre qui barrent le passage aux sels, colorants et tensioactifs. Mais si l'on augmente la pression jusqu'à 5 bars, un changement drastique de la morphologie de la membrane se produit et les pores atteignent plus de 100 nanomètres de diamètre, ce qui permet de filtrer les bactéries ou les particules en suspension. Cette propriété unique permettra aux utilisateurs de ne recourir qu'à un seul type de membrane pour tous leurs besoins en filtration.

Mais ce n'est pas tout : ces filtres dynamiques de 1,3 micromètre d'épaisseur sont capables de s'auto-réparer. Si la membrane se fissure, l'équilibre physique qui lie les micelles entre elles est rompu. Celles-ci cherchent alors à rétablir cet équilibre et se réorganisent de façon à combler la fissure. Une perforation d'une taille 85 fois plus grande que l'épaisseur de la membrane peut ainsi être réparée sans intervention humaine et sans l'arrêt de l'opération de filtration. Cette capacité d'autoréparation permettra à la fois de prolonger la durée de vie des membranes et d'augmenter les garanties de sécurité sanitaire.

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Chimie et création. Du moléculaire au supramoléculaire.
Structure, propriétés et transformation de la matière inanimée et animée sont les résultats d'interactions entre particules élémentaires formant les atomes, entre atomes édifiant les molécules, entre molécules enfin, conduisant à des architectures supramoléculaires. La chimie moléculaire a pour objet la découverte et la maîtrise des règles qui gouvernent les structures, les propriétés et les transformations des molécules. La chimie supramoléculaire peut être définie comme la chimie " par-delà la molécule ", portant sur les entités organisées, d'une complexité supérieure, qui résultent de l'association de deux ou plusieurs espèces chimiques maintenues ensembles par des forces intermoléculaires. Elles présentent en particulier des phénomènes de reconnaissance moléculaire et sont à la base du traitement de l'information au niveau supramoléculaire. En effet, la formation dirigée d'architectures organisées requiert la mise en oeuvre d'information, en une sorte de programmation moléculaire, établissant ainsi un lien entre la chimie et la science de l'information. Par sa capacité de sans cesse recréer le réel, de s'inventer et se réinventer au fur et à mesure qu'elle se développe, par son pouvoir sur la nature des espèces matérielles et sur les transformations qui permettent de les produire et de les mettre en réaction, la chimie exprime sa faculté créatrice. Le champ de la chimie est l'univers de toutes les espèces moléculaires et supramoléculaires possibles, et celles effectivement présentes dans la nature forment juste un monde parmi tous les mondes possibles en attente d'être créés.

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Paris, 15 novembre 2011

Un nouveau matériau révolutionnaire façonnable à chaud comme du verre

Planches à voile, avions et circuits électroniques ont tous en commun de contenir des résines utilisées pour leur légèreté et leur résistance. Mais, une fois durcies, elles ne peuvent plus être refaçonnées. Seuls quelques composés minéraux, tel le verre, offraient pour l'instant cette possibilité. Associer ces atouts dans un même matériau semblait irréalisable, jusqu'à ce que l'équipe de Ludwik Leibler, chercheur CNRS au Laboratoire « Matière molle et chimie » (CNRS/ESPCI ParisTech) et Professeur associé à l'ESPCI, conçoive une nouvelle classe de composés capable de ce tour de force. Réparable et recyclable, ce matériau inédit est façonnable, de manière réversible et à volonté, à haute température. Et de façon surprenante, il conserve également certaines propriétés propres aux résines organiques ou aux caoutchoucs : il est léger, insoluble et difficilement cassable. Peu coûteux et facile à fabriquer, il pourrait intervenir dans de nombreuses applications industrielles, notamment dans l'automobile, l'aéronautique, le bâtiment, l'électronique et les loisirs. Ces travaux sont publiés le 18 novembre 2011 dans Science.
Remplacer des métaux par des matériaux plus légers mais aussi performants est une nécessité pour de nombreuses industries, comme l'aéronautique, l'automobile, le bâtiment, l'électronique et l'industrie du sport. De par leurs exceptionnelles propriétés de résistance mécanique, thermique et chimique, les matériaux composites à base de résines thermodurcissables sont pour l'instant les plus à même de remplir ce rôle. Mais il est nécessaire de cuire ces résines in situ, avec d'emblée la forme définitive de la pièce à réaliser. En effet, une fois ces résines durcies, le soudage et la réparation deviennent impossibles. De plus, même à chaud, il est inimaginable de refaçonner une pièce à la manière du forgeron ou du verrier.

Car le verre (silice inorganique) est une matière unique : une fois chauffé, il passe d'un état solide à un état liquide de façon très progressive (transition vitreuse), ce qui permet de le façonner à volonté sans avoir recours à des moules. Parvenir à concevoir des matériaux très résistants qui puissent se réparer et être malléables à l'infini, tout comme le verre, est un véritable enjeu à la fois économique et écologique. Il faudrait un matériau capable de s'écouler à chaud tout en étant insoluble et qui n'aurait ni la fragilité, ni la « lourdeur » du verre.

Partant d'ingrédients disponibles et utilisés dans l'industrie (résine époxy, durcisseurs, catalyseurs…), les chercheurs du Laboratoire « Matière molle et chimie » (CNRS/ESPCI ParisTech) ont créé un nouveau matériau organique constitué d'un réseau moléculaire aux propriétés inédites : ce réseau est capable, sous l'action de la chaleur, de se réorganiser sans changer le nombre de liens entre les atomes. Ce matériau inédit passe de l'état liquide à l'état solide ou inversement, comme le verre. Jusqu'à présent, seule la silice et quelques composés minéraux étaient connus pour ce type de comportement. Ce nouveau matériau s'apparente donc à de la silice complètement organique. Il est insoluble même à chaud au-dessus de sa température de transition vitreuse.

De façon remarquable, à température ambiante, il ressemble, selon la composition choisie, à des solides durs ou bien à des solides élastiques mous. Dans les deux cas, il présente les mêmes qualités de légèreté, résistance et insolubilité que les résines thermodurcissables ou les caoutchoucs actuellement utilisés en industrie. Surtout, par rapport à ces derniers, il offre l'avantage d'être façonnable à volonté, réparable et recyclable sous l'action de la chaleur. Cette propriété permet de lui faire subir des transformations par des procédés qui ne sont envisageables ni pour les résines thermodurcissables, ni pour les matières plastiques classiques. Elle permet notamment d'obtenir des formes d'objets qui sont difficiles ou impossibles à obtenir par moulage ou pour lesquels la réalisation d'un moule s'avère trop coûteuse pour la fabrication envisagée.

Utilisé comme base de composites, ce nouveau matériau pourrait ainsi favorablement concurrencer les métaux et trouver de larges applications dans des secteurs aussi divers que l'électronique, l'automobile, la construction, l'aéronautique ou l'imprimerie. Au-delà de ces applications, ces résultats apportent un éclairage inattendu sur une problématique fondamentale : la physique de la transition vitreuse.

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