Projets

Les maladies tropicales négligées (MTN) touchent des millions de personnes dans le monde, principalement dans les régions tropicales et subtropicales. Ces maladies, causées par divers agents pathogènes et toxines, entraînent des conséquences graves sur la santé ainsi que des impacts sociaux et économiques significatifs. Elles affectent principalement les communautés pauvres. On estime que plus d'un milliard de personnes sont touchées par les MTN, tandis que 1,6 milliard de personnes nécessitent des interventions préventives et curatives pour les combattre. Parmi les MTN les plus courantes figurent les maladies parasitaires telles que le paludisme, la trypanosomiase, la leishmaniose, l’amibiase et la schistosomiase. La propagation croissante de la résistance aux médicaments compromet gravement les politiques d'éradication, ce qui suscite des inquiétudes supplémentaires quant au contrôle de ces maladies. En raison du changement climatique, on prévoit que les MTN se déplaceront des zones tropicales et subtropicales vers des latitudes plus élevées. Le paludisme et la leishmaniose sont causées respectivement par les protozoaires Plasmodium et Leishmania, transmis à l'homme par la piqûre de moustiques infectés ou de phlébotomes. Le traitement de ces parasitoses est complexe en raison des cycles de vie des agents pathogènes, qui impliquent souvent des vecteurs et de grands réservoirs animaux. Contrairement aux prévisions optimistes d’éradication du paludisme d'ici 2030, le nombre de cas ne cesse d’augmenter, avec environ 247 millions de cas et 619 000 décès en 2021. Les thérapies combinées à l'artémisinine représentent les traitements de première ligne pour les formes non compliquées. La résistance à l'artémisinine chez P. falciparum s’est répandue en Asie, en Amérique du Sud et en Afrique. La leishmaniose est traitée avec des médicaments comme les antimoniaux, la miltéfosine, le paromomycine et l'amphotéricine B, mais la résistance devient également de plus en plus préoccupante. Les échecs de traitement pour ces maladies sont fréquents, ce qui souligne l'urgence de la recherche de nouveaux médicaments antiparasitaires capables d’éliminer les parasites résistants. Le projet REACT est basé sur les propriétés chimiques des espèces radicalaires pour le traitement de ces maladies. Il consiste en la préparation d'un pro-médicament stable (alcoxyamine bloquée), activé à la demande par des enzymes essentielles des parasites pour produire des alcoxyamines déverrouillées et labiles, capables de s’homolyser spontanément en radicaux alkyles très réactifs à température physiologique. Ces radicaux déclenchent des dommages irréparables chez les parasites. L’activation des alcoxyamines est ciblée par des enzymes spécifiques des parasites, une approche différente de l'inhibition classique de l’activité enzymatique. Ce concept est apparu comme une approche puissante et polyvalente. Une caractéristique innovante de ce projet est la génération de radicaux libres à la demande, un mécanisme qui devrait limiter l'émergence de résistances. Contrairement aux médicaments classiques qui exercent une pression sélective sur des voies moléculaires spécifiques, les radicaux générés par cette approche agissent de manière aléatoire, ce qui rend plus difficile le développement par les parasites de mécanismes de résistance. Le projet prévoit la conception de pro-médicaments à spectre large, capables de cibler diverses étapes du cycle de vie des parasites. En résumé, ce projet vise à développer de nouveaux médicaments contre le paludisme et la leishmaniose en préparant des alcoxyamines très stables, activées par des enzymes parasitaires spécifiques pour donner des alcoxyamines instables, et à tester leur efficacité in vitro puis dans des modèles murins. Il représente une avancée potentielle pour contourner la résistance aux médicaments et offrir de nouvelles options thérapeutiques pour les MTN.

Les polymères durables représentent une solution idéale pour relever les défis environnementaux cruciaux posés par la production et l'élimination des polymères synthétiques. Récemment, les polymères contenant un atome de soufre au lieu d'un atome d'oxygène ont suscité un grand intérêt. L'incorporation d'atomes de soufre peut modifier de manière significative les propriétés des polymères, conduisant à un large éventail de matériaux avancés. Ces polymères ont été préparés principalement par polycondensation et polymérisation par ouverture de cycle. L'objectif de ce projet est de préparer des matériaux entièrement dégradables via la polymérisation radicalaire de monomères à base de monomère contenant une fonction thionocarbonyle permettant la préparation d'architectures macromoléculaires complexes présentant des propriétés de dégradation et/ou de recyclage avancées. Ce projet peut ouvrir la voie au développement de nouveaux matériaux aux propriétés inédites, fabriqués par polymérisation radicalaire. Deux applications principales sont visées : les nano-vecteurs dégradables pour l'administration de médicaments et les matériaux pour remplacer les polymères traditionnels à base de monomères vinyliques. L'objectif final de ce projet est donc de démontrer tout le potentiel des matériaux à base de soufre comme alternative aux biomatériaux et aux matières plastiques traditionnelles dans une économie durable.

À ce jour, aucune stratégie thérapeutique n’est capable de réparer les cellules nerveuses endommagées par un accident vasculaire cérébral (AVC). L’objectif de ce projet interdisciplinaire (3 partenaires : chimie des polymères, nano/biomatériaux et neuroplasticité) est de développer un composite hydrogel-nanoparticule (HY-NP) injectable et dégradable, capable de libérer localement et de manière contrôlée dans le temps des produits pharmacologiques, et de tester son efficacité chez le rat après un AVC. Sa combinaison avec un programme d’entrainement physique pourrait favoriser de manière optimale la neuroplasticité et la récupération fonctionnelle. Le projet s’organise en 4 tâches : i) préparation de l’hydrogel chargé en molécule neuroprotectrice, ii) association de la molécule neurorégénératrice aux NP et incorporation dans l’hydrogel, iii) évaluation de la cytocompatibilité (in vitro) et de la biodistribution du composite final, et iv) évaluation de son efficacité thérapeutique (couplée à l’exercice) suite à une ischémie cérébrale chez le rat.

L'impression 3D est une technologie de fabrication additive qui permet de fabriquer des objets de forme très complexe par photo-polymérisation couche après couche. Depuis la démonstration du concept au début des années 1980, la croissance du domaine a été considérable et l'impression 3D a eu un impact important sur la science des matériaux d'un point de vue scientifique, technologique et économique. Les résines courantes à base de (méth)acrylate ou de thiol-ène très facile d'utilisation, limitent cependant l'impression d'objet 3D dans des matériaux intelligents qui pourraient avoir des propriétés d'auto-guérison, de dégradabilité modifiable, etc. L'objectif de ce projet est de développer de nouvelles résines photo-polymérisables basées sur des composés multi-nitroxydes et multi-photo-amorceurs. Cette combinaison permettra en effet de créer des objets 3D dont le réseau polymère réticulé sera constitué de liaisons alkoxyamine. Les propriétés mécaniques (mou, dur) et thermiques de ces matériaux pourront être modulées en faisant varier les structures des monomères de départ. Par ailleurs, puisque ces matériaux sont constitués de liaisons alcoxyamines, ils pourront être entièrement dégradés et au moins à moitié recyclés. De plus, grâce aux fonctionnalités de surface (nitroxydes libres), l'objet 3D pourra être facilement re-fonctionnalisé ou même soudé à un autre objet 3D. Ces fonctionnalités de surface permettraient par exemple d'obtenir des objets 3D alternant des couches souples et dures (matériaux multicouches).

Le but ultime du projet CASPI est la conception rationnelle de processus extrêmement réducteurs par photoactivation directe d’intermédiaires d’organocatalyse par les carbènes N-hétérocycliques (NHC), eux même déjà très réducteurs. La proposition est basée sur des concept émergents (par exemple « ConPET » : Consecutive Photo-induced Electron Transfer) dans lesquels une première transformation d’un photocatalyseur produit un radical anion, qui, à son tour, peut photo-induire des réductions extrêmes, ainsi que sur des résultats préliminaires originaux. L’organocatalyse radicalaire par les NHC et la photocatalyse réductrice extrême sont des domaines de recherche très concurrentiels. La plupart des équipes internationales se focalisent essentiellement sur l’optimisation méthodologique de « boîtes noires » et restent limitées par la difficulté de l’étude d’intermédiaires clés transitoires et des situations photophysiques et/ou mécanistiques complexes. A contre-pied, CASPI tire parti de l’expérience du consortium dans la manipulation, l’étude et la compréhension des intermédiaires réactifs dérivés des NHC pour proposer une démarche rationnelle. Le consortium a l’intention i) de développer des modèles NHC favorisant une activité redox, la stabilité de formes radicalaires et de fortes absorptions dans le visible; ii) d’effectuer une étude photoélectrochimique complète et évaluer la photoréactivité des principaux intermédiaires clés; iii) concevoir sur cette base de puissantes réactions photocatalysées par les NHC qui restent sélectives, tout en impliquant des activations hautement réductrices (de type « Birch », par exemple).

Les radicaux jouent un rôle important dans la synthèse organique. Ce succès a été rendu possible grâce à l’élucidation des mécanismes et à la compréhension de la stabilité des radicaux. Ce projet vise à explorer un mécanisme innovant de stabilisation des radicaux en exploitant les propriétés uniques de délocalisation des électrons pi à travers l’espace des [2,2]-Paracyclophanes. Nous proposons la synthèse d’alkoxyamines possédant un noyau paracyclophane et l’évaluation de la stabilité des radicaux générés à l’aide d’approches expérimentales et théoriques. Les principaux objectifs incluent l’étude des facteurs thermodynamiques influençant la stabilisation des radicaux, en utilisant la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) et les calculs DFT. Les résultats préliminaires confirment l’hypothèse selon laquelle l’interaction à travers l’espace joue un rôle clé dans la stabilisation des radicaux, soulignant ainsi l’importance du noyau paracyclophane. Ce projet repose sur la collaboration de deux équipes reconnues pour leur expertise en chimie radicalaire et en modélisation théorique et s’articule autour de deux axes majeurs : L’évaluation de la stabilité des radicaux (WP1) : Cet axe vise à examiner l’influence des substituants sur la stabilité des radicaux dans des structures paracyclophanes. Nous synthétiserons des dérivés fonctionnalisés afin d’évaluer l’impact de divers groupements sur la stabilité, la spectroscopie RPE et les calculs DFT permettront de quantifier cette stabilité, d’estimer les énergies de dissociation des liaisons (BDE) et d’analyser la distribution de la densité de spin. Ces informations permettront par la suite de mieux appréhender la réactivité des radicaux. Réactivité des radicaux de paracyclophane (WP2) : Cet axe explorera la réactivité des radicaux paracyclophanes à l’aide de stratégies de fonctionnalisation innovantes. Grâce à la chiralité planaire propre aux paracyclophanes, des applications en catalyse asymétrique seront également étudiées. L’objectif est de tirer parti de la stabilisation à travers l’espace pour générer des radicaux de manière sélective (en s'appuyant sur des réactions photoredox) et favoriser ainsi une fonctionnalisation ciblée en position benzylique. Nous évaluerons également le potentiel de catalyseurs thiol chiraux dérivés du paracyclophane pour réaliser des transformations asymétriques spécifiques.

L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle famille de composés photosensibles recyclables et polyvalents avec de larges fenêtres redox accessibles à l'aide de sources d'irradiation de lumière visible (CFL ou LED), capables d'agir à la fois comme photocatalyseurs universels de réactions redox, extrêmes et opposées, thermodynamiquement exigeantes de la chimie fine, grâce à leurs potentiels redox élevés à l'état excité (E*red supérieur à + 2 V et/ou E*ox inférieur à - 2 V vs. SCE) et comme photo-initiateurs pour la synthèse de polymères.

Nanotechnologie ADN, chimie quantique, transport quantique et spectroscopie laser ultrarapide. DEVILISH réunit tous ces domaines pour concevoir des systèmes de récolte de la lumière construits dans des hydrogels d'ADN. Au départ, le projet s'inspire des complexes pigments-protéines naturels que l'on trouve dans les organismes photosynthétiques. L’ambition de DEVILISH est d’utiliser l'ADN pour organiser des réseaux de colorants fluorescents à différentes échelles, allant de l’échelle nanométrique de patches hexagonaux individuels avec une dimensionnalité quasi-zero, jusqu'à l'échelle mésoscopique incluant des chaînes, de dimensionalité un, et des feuilles de dimensionalité deux, et jusqu'à l'échelle micrométrique des hydrogels d'ADN. L'équipe synthétisera et caractérisera des patches et des hydrogels d'ADN, puis évaluera leur performance en utilisant des techniques de spectroscopie en régime stationnaire et résolues en temps. Pour obtenir une compréhension plus approfondie des propriétés de transport des excitons, une approche théorique multiphysique/multiscalaire complète sera développée. Cette approche intégrera les résultats des calculs de chimie quantique à l’échelle de quelques colorants, dans la modélisation et les simulations de transport quantique des excitons à plus grande échelle. En fin de compte, l'objectif principal de DEVILISH est d’élucider les mécanismes sous-jacents à une conversion et un transport efficaces de l'énergie dans des nanodispositifs hybrides. Ce projet innovant devrait faire avancer significativement le domaine des nanotechnologie ADN, avec des applications potentielles allant des technologies solaires aux ordinateurs à l'échelle nanométrique.

Aujourd’hui, nous faisons face à plusieurs défis environnementaux et socio-économiques tels que le changement climatique, la pollution urbaine, l’épuisement des ressources fossiles et leur augmentation de prix. Le gaz naturel (GN), composé majoritairement de méthane, est considéré comme un carburant relativement propre permettant d’améliorer de manière significative la qualité de l’air, réduire les émissions de CO2 et diminuer la dépendance au pétrole. De plus, le GN est géographiquement mieux réparti dans le monde, présente un pouvoir calorifique plus élevé et une émission de CO2 plus faible comparée au charbon et au pétrole. Cependant, en raison de sa faible densité, son stockage et son transport restent difficile et onéreux en absence des pipelines. Par conséquent, l'adsorption de GN (ANG) dans des matériaux poreux, à température ambiante et à des pressions relativement basses, est une solution alternative séduisante pour le transport et le stockage de GN, de biométhane ainsi que pour les applications embarquées. Compte tenu de la capacité limitée des adsorbants poreux actuels (zéolithes, charbons actifs, MOFs et COPs), nous proposons l'utilisation de polymères organiques covalents hybrides (hybrid-COP) spécifiquement conçus pour la technologie ANG. Des molécules de type POSS seront utilisées comme plates-formes de base pour la construction d’hybrid-COPs. Une stratégie d'ingénierie macromoléculaire avancée appuyée par des simulations atomistiques combinées classiques/ab initio sera développée pour obtenir les matériaux poreux robustes adaptés aux applications pratiques. La combinaison de l'approche expérimentale et théorique apportera de nouvelles connaissances sur 1) les mécanismes d'interaction entre les molécules de GN et la surface du matériau et 2) la relation entre les propriétés d'utilisation finale et la structure des matériaux.

L'objectif principal du projet FEMTO-Switch est d'établir des bases rationnelles pour le contrôle, à travers la structure chimique, de la structure énergétique moléculaire et de la dynamique des états excités à des intersections coniques importantes (zones clés du paysage énergétique potentiel d'une molécule). Ce sont ces intersections qui déterminent finalement les rendements quantiques de réaction des photo-commutateurs ultrarapides basés sur l'isomérisation à double liaison C=C. Comme plate-forme moléculaire pour ces investigations, deux familles moléculaires sont choisies : les dérivés de l'oxindole et de l'oxopyrrole. Les outils spectroscopiques utilisés dans le projet impliquent des méthodes ultrarapides de spectroscopie d'absorption transitoire, de spectroscopie de "up-conversion" de fluorescence et de spectropscopie photoélectronique résolue dans le temps en phase liquide, complétées par des calculs avancés de chimie quantique. Pour atteindre l'objectif primordial, le consortium du projet travaillera vers quatre objectifs de recherche, ancrés dans l'expertise des partenaires du projet et leurs recherches conjointes préexistantes : - Mise en œuvre de substitutions chimiques des plateformes oxindole (OxI) et oxopyrrole (OxP), qui ont un effet significatif sur la vitesse d'isomérisation, l'apparition d'une réaction vibrationellement cohérente et sur l'efficacité quantique d'isomérisation (QY). - Observation expérimentale directe du paysage énergétique autour des CI des deux types de commutateurs par fs-PES en phase liquide. - Elucidation des mécanismes qui induisent et préservent la cohérence vibrationnelle pour l'isomérisation « balistique », en combinant les études fs-PES et la spectroscopie d'absorption transitoire UV/VIS/NIR avec une résolution inférieure à 15 fs, avec des calculs multi-trajectoires. - Développement de calculs de chimie quantique de pointe, qui exploreront des protocoles de calcul efficaces et des stratégies de calcul d'observables expérimentaux afin de rationaliser l'influence observée des substitutions chimiques et de l'environnement des solvants sur la dynamique ultrarapide et les rendements des réactions.

La cristallisation est à la base de processus essentiels de notre vie quotidienne. Le contrôle de la cristallisation est primordial pour les matériaux polymorphes car chaque forme crystalline constitue potentiellement un nouveau matériau aux propriétés uniques. Bien que la cristallisation en confinement soit apparue comme une stratégie prometteuse pour la sélection de polymorphes, l’absence de compréhension des mécanismes de la cristallisation empêche aujourd’hui son contrôle rationnel. Le chaînon manquant est une approche analytique pour accéder aux détails structuraux au niveau atomique de la séquence d'événements conduisant à la formation d'un polymorphe à partir d'une solution confinée avec une résolution temporelle suffisante (ms-s). En capitalisant sur la spécificité chimique de la résonance magnétique nucléaire (RMN) et sur l'amélioration de la sensibilité RMN offerte par la polarisation dynamique nucléaire en phase solide (MAS DNP), MICRONMR développera un ensemble de méthodes expérimentales pour comprendre les mécanismes de cristallisation en confinement. Plus spécifiquement, la technique MAS DNP sera combinée avec la microfluidique et la chimie des polymères pour : 1) capturer des « clichés » des processus de cristallisation confinée se produisant dans deux types de réacteurs compatibles avec la MAS DNP ; 2) identifier dans chaque cas les détails structuraux et morphologiques clés des espèces transitoires (Å-um) via la MAS DNP ; 3) explorer l'effet de l'application de champs externes sur la cristallisation confinée pour des systèmes polymorphes difficiles, tels que les solides pharmaceutiques moléculaires. En révélant des aspects de la cristallisation actuellement inaccessibles, MICRONMR contribuera à un changement de paradigme dans le développement des matériaux en rationalisant leur cristallisation, ouvrant de nouvelles voies vers le polymorphisme ciblé en science des matériaux.

Les opioïdes restent les analgésiques les plus efficaces contre les douleurs aiguës modérées à sévères. En revanche, leur efficacité à long terme sur les douleurs chroniques est insuffisante, suite au développement d'une tolérance analgésique et d'une hyperalgésie paradoxale qui conduisent à une escalade de dose, une dépendance et un risque mortel de dépression respiratoire. La mortalité par surdosage d’opioïdes a dépassé les 100 000 décès aux Etats-Unis et le nombre de prescriptions d’opioïdes et d’hospitalisations dues aux opioïdes a augmenté en France. Il y a donc un besoin urgent et mondial de concevoir des analgésiques plus efficaces et plus sûrs. Les partenaires de ce consortium ont démontré le rôle du récepteur tyrosine kinase FLT3 dans la génération et le maintien des douleurs neuropathiques qui résultent de lésions nerveuses. Ils ont également démontré que les inhibiteurs de FLT3 potentialisent l'analgésie morphinique dans la douleur post-chirurgicale et annulent la tolérance à la morphine et l'hyperalgésie induite par la morphine dans la douleur inflammatoire chronique. Par conséquent, la preuve de concept qu’une combinaison d’un inhibiteur de FLT3 et d’un agoniste µ opiacé améliore un traitement chronique par la morphine, conduit à concevoir des composés bifonctionnels qui combinent les 2 activités pharmacologiques dans la même molécule, pour produire des analgésiques plus efficaces et plus sûrs. La conception de composés bifonctionnels fera appel au criblage de la chimiothèque déjà créée par ce consortium (~600 composés inhibiteurs de FLT3) et l’optimisation standard par chimie médicinale, jusqu'à l'identification de composés adaptés pour un développement clinique.

Les enjeux liés à la sécurité et la nécessité d’augmenter la densité d'énergie des batteries imposent le développement de «nouvelles» chimies pour les matériaux actifs d'électrode et l’électrolyte. Le lithium (Li) métal est l’anode de choix (capacité spécifique 10 fois plus élevée que celle des batteries Li-ion), pour produire des batteries de très haute densité d’énergie. L’électrolyte solide polymère sec (EPS) permet d’améliorer la sécurité des dispositifs et d’apporter la flexibilité de la conception. Cependant, les EPS présentent une trop faible conductivité ionique à température ambiante et un nombre de transport de Li, t+ < 0,2. Or un t+ élevé (t+˜1) permet de prévenir la formation de gradient de concentration entre la cathode et l’anode, responsable de croissance dendritique et le court-circuit de la batterie. A part des performances électrochimiques, la sécurité des batteries tout solide est également liée à la conductivité ionique de l’électrolyte solide. En effet, une conductivité ionique élevée induit à une faible impédance dans l’électrolyte et ses interfaces avec les électrodes et donc une faible génération thermique durant les cycles charges/décharges en particulier à hautes densités de courant. Pour relever ces verrous, nous proposons dans le projet 2POLI de nouveaux matériaux électrolytes polymères nanoporeux à conduction ionique unidimensionnelle. Ces électrolytes sont préparés à partir de copolymères à blocs comportant un bloc dégradable nanostructuré en morphologie cylindrique dont les canaux sont orientés perpendiculaires aux électrodes et remplis d’électrolytes non-aqueux. Grâce aux effets de nano-confinement, un chemin de conduction quasi-dimensionnelle et une chimie de surface des pores adéquate, ces matériaux présenteront une conductivité ionique semblable à celle d’un électrolyte liquide, un t+ proche de 1 et une flexibilité convenable pour mieux adapter à la déformation de la batterie.

Les plastiques sont légers, résistants et durables, et leur transformation est moins énergivore que celle de la plupart des matières premières. Pourtant, l'économie des plastiques est loin d'être durable. Seulement 8,3 % des 391 millions de tonnes de plastiques produites dans le monde en 2021 étaient issus de polymères recyclés. Parmi les technologies disponibles pour gérer la fin de vie des plastiques, le recyclage mécanique est la méthode la plus efficace en termes de temps, de coûts et d'impact environnemental. Le recyclage mécanique des plastiques produit toutefois des matériaux dont les propriétés mécaniques sont inférieures à celles des matériaux vierges, principalement en raison de la présence de contaminants polymères incompatibles dans les produits recyclés. Le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP), qui représentent à eux seuls plus de la moitié de la production mondiale de polymères et de déchets plastiques, sont l'exemple le plus critique, avec une perte de valeur estimée à 95 % après recyclage. Le développement de solutions efficaces pour recycler mécaniquement les mélanges de polyoléfines est donc un défi scientifique et sociétal majeur. Le projet UpCycle vise à développer des agents de greffage pour transformer par extrusion réactive les mélanges de PE et de PP post-consommation en réseaux covalents dynamiques recyclables. La réactivité des agents de greffage et les matériaux recyclés seront étudiés à l’aide de nouvelles méthodes expérimentales. Ce projet vise également à développer une relation structure-propriété complète des matériaux et à monter en échelle le processus d’extrusion réactive, deux éléments essentiels pour le développement de cette approche. Pour atteindre ces objectifs, le projet UpCycle s’appuie sur une approche multidisciplinaire et sur l'expertise complémentaire de l'ESPCI Paris (réseaux dynamiques), de l'ICR (calculs quantiques et spectroscopie RPE), et du CNAM (mise en forme et relation structure-propriété des polymères).

Au cours des dernières décennies, la forte augmentation de la population mondiale ainsi que la nécessité pour les gens d'adopter de meilleures conditions de vie ont conduit à une augmentation spectaculaire de la consommation de polymères. Les matériaux apparaissent imbriqués dans notre société de consommation où il serait difficile d'imaginer aujourd'hui une société moderne sans plastiques. Une augmentation continue de l'utilisation des plastiques a entraîné une augmentation de la quantité de plastiques se retrouvant dans le flux de déchets, ce qui a motivé un intérêt accru pour les plastiques biosourcés et/ou le recyclage. En 50 ans, la production mondiale de plastique a augmenté de plus de 4000%, engendrant diverses problématiques environnementales. Pourtant, malgré les preuves croissantes d'impacts environnementaux néfastes et l'inquiétude du public concernant à la fois la production de polymères avec des ressources d’origine fossile et la fin de vie des matériaux polymères, les approches actuellement développées par nos sociétés sont totalement dépassées par cette production toujours croissante de polymères. Des solutions doivent donc être trouvées pour répondre à ces problématiques : tant le développement de polymères biosourcés que le recyclage des polymères sont urgents pour réduire drastiquement les impacts environnementaux liés aux applications quotidiennes telles que l'emballage, la construction et les composites. Dans le cadre du présent projet PRCE déposé avec Arkema comme partenaire industriel, nous nous intéresserons plus particulièrement au développement de nouveaux composites thermoplastiques biosourcés et recyclables. En effet, les composites sont aujourd'hui indispensables dans la transition écologique en cours pour réduire le poids des structures et donc aussi la consommation d'énergie. Parallèlement au développement des polymères biosourcés, le recyclage des polymères reste à l'heure actuelle un enjeu majeur. En France, le traitement des déchets constitue le deuxième sujet de préoccupation après le pouvoir d'achat. A l'heure actuelle, l'approche consistant en la dépolymérisation des polyacrylates et du polystyrène par traitement thermique est inappropriée et déconnectée du plan actuel de sobriété énergétique. Des stratégies plus économes en énergie doivent être trouvées. Dans ce projet, une approche photochimique est proposée, basée sur l'utilisation de colorants proche infrarouge utilisés comme heater pour induire le processus de dépolymérisation.

Le projet ECO-SmartAF vise à développer de nouveaux revêtements antifouling marins durables et respectueux de l'environnement afin de réduire l’empreinte carbone du transport maritime. Notre approche consiste à concevoir des revêtements intelligents qui combinent une activité de contact avec une chimie de surface amphiphile, ces deux éléments empêchant l'adhésion des organismes marins. Des monomères à base d'alcoxyamine seront conçus pour préparer des polymères sensibles à l'eau de mer et/ou aux enzymes afin de générer des radicaux nitroxyle et alkyle, actifs envers les organismes marins ciblés. La dégradation rapide bien connue (quelques microsecondes) du radical alkyle empêchera sa bioaccumulation et son contact prolongé avec des espèces marines qui pourraient devenir résistantes. De nouveaux copolymères méthacryliques, composés de segments latéraux hydrophobes (poly(diméthylsiloxane)) et hydrophiles (poly(éthylène glycol)), seront synthétisés pour conférer un caractère amphiphile à la surface du revêtement. L’ajout d’unités monomères (méth)acryliques à base d'esters de trialkylsilyle hydrolysables permettra de modifier les propriétés de surface au cours de l'immersion. La composition chimique des copolymères sera ajustée pour favoriser la présence des unités alcoxyamines à la surface du revêtement. Les copolymères seront utilisés (i) comme matrice dans des revêtements érodables et (ii) comme additif dans des revêtements antifouling à base d'élastomère silicone. L'efficacité des revêtements sera évaluée par des essais en laboratoire et sur le terrain, en incluant différentes espèces modèles et différents sites d'immersion. Un large éventail de tests de toxicité sera réalisé sur des bactéries, artémias et micro-algues afin de s'assurer que les revêtements soient respectueux de l'environnement. L’analyse des risques écotoxicologiques sera réalisée sur des lixiviats à l'aide d'un modèle de culture de cellules immunitaires de l'huître C. gigas, récemment développé.

Les matériaux organiques (ou plastiques) occupent une place importante dans notre société. De par le large choix de polymères produits et les multiples propriétés accessibles (en termes de comportement mécanique, thermique ou de solubilisation), ils sont devenus indispensables aussi bien dans la vie quotidienne que dans le monde industriel. L’utilisation massive des plastiques pose cependant aujourd’hui un problème crucial de gestion des plastiques. Une solution pour éviter la pollution par les plastiques serait d’élaborer de nouveaux polymères recyclables et/ou biodégradables pour remplacer ceux existants. Cette solution présente l’inconvénient d’être longue et couteuse à développer. Une méthode plus simple et plus rapide à mettre en place consiste à insérer des fonctions clivables dans les chaînes de polymères non dégradables et en particulier dans les polymères vinyliques. La copolymérisation radicalaire par ouverture de cycle de monomères cyclique et vinylique permet en particulier d’obtenir des copolymères vinyliques fragmentables. Cependant, très peu d’études ont été dédiées à l’étude de la valorisation par repolymérisation des oligomères obtenus et le caractère biodégradable des fragments, en relation avec les caractéristiques du copolymère avant dégradation reste aussi à étudier. Ceci sera l’objet de ce projet.

Les résonateurs à gap-plasmon sont les plus petites cavités optiques qu'on sache réaliser. On les obtient en utilisant des nanocubes métalliques couplés à une surface métallique. La section efficace de ces résonateurs est très grande, une importante qualité dans le cadre de la détection de molécules. De telles structures se montrent en effet très sensibles à leur environnement optique, et peuvent donc être utilisées pour fabriquer des détecteurs optiques de molécules utilisables dans le contexte des tests "Point-of-Care". La physique de ces objets est complexe et la diversité de leurs réponses est très grande. Nous nous proposons d'explorer cette physique en détail, puis de développer une méthode très simple d'assemblage de ces structures. Cette méthode devrait permettre de produire des capteurs simples, efficaces et très peu coûteux, utilisables au plus près des malades pour un diagnostic rapide.

Les ROS (espèces réactives oxygénées) fonctionnent comme des intermédiaires pour la signalisation cellulaire chez des organismes allant des bactéries à l'homme. Ils régulent de nombreuses voies de signalisation, impliquées entre autres dans le stress et le vieillissement. Des membres du consortium ont récemment montré qu'un récepteur de type flavoprotéine, le Cryptochrome, protéine photoréceptrice sensible à la lumière bleue, synthétise les ROS en réponse à un stimulus lumineux ou à l'application d'un champ magnétique. Le but de ce projet est donc d’élucider le mécanisme sous-jacent de la biosynthèse des ROS par le cryptochrome, en utilisant des outils biophysiques et des approches de modélisation, puis en évaluant l’effet du cryptochrome sur les voies de signalisation des ROS dans des systèmes modèles comprenant la Drosophile et des cellules mammifères. Ce projet ouvre la possibilité de contrôler la signalisation des ROS, importante d'un point de vue médical et économique, par l'application de lum!ère ou d'un champ magnétique.

Les chaînes bioénergétiques qui alimentent le métabolisme cellulaire ont connu des changements spectaculaires depuis l'apparition de la vie sur Terre, avec une diversification des sources d'énergie environnementales et l'évolution de nombreuses enzymes dédiées. Le mécanisme de conservation de l'énergie est cependant resté pratiquement constant. Il implique principalement des ATP synthases fonctionnant sur une force motrice protonique transmembranaire créée principalement par la diffusion de transporteurs liposolubles de H+/électrons (quinones/quinols (Q/QH2)) dans la membrane entre les enzymes bioénergétiques portant des sites de liaison aux Q/QH2. Ces Q/QH2 se sont diversifiées au cours de l'évolution et présentent aujourd'hui une grande variabilité chimique et redox. L'histoire évolutive de cette variabilité et les adaptations des enzymes aux différentes Q/QH2 sont loin d'être comprises. Notre hypothèse propose que les enzymes bioénergétiques ont adapté au fil du temps leurs sites de liaison aux Q/QH2 soit pour une Q/QH2 spécifique, soit pour plusieurs types de Q/QH2, en fonction des contraintes thermodynamiques de leurs réactions d'oxydoréduction. Lorsque la contrainte thermodynamique de la co-réaction avec la Q/QH2 et le substrat environnemental le permet, les enzymes auraient fait évoluer leur site de liaison aux Q/QH2 pour accommoder n'importe quel type de Q/QH2, alors que lorsque la co-réaction ne le permet pas, les enzymes auraient évolué en façonnant leur site de liaison pour une Q/QH2 spécifique. Dans ce projet, nous avons pour objectif de tester cette hypothèse en travaillant sur quatre enzymes distinctes en termes de structure : la nitrate réductase respiratoire Nar, la cytochrome bd oxydase, le complexe Rieske/cytb et l'arsénite oxydase alternative Arx. Les deux premières ne sont par ailleurs pas soumises à des contraintes thermodynamiques, tandis que les deux dernières le sont. Elles illustrent donc la diversité enzymatique dans le domaine de la bioénergétique. Le choix de ces quatre enzymes maximise l'information attendue qui peut être obtenue dans le temps alloué à ce projet. Par une approche pluridisciplinaire de pointe combinant bio-informatique, biochimie, biophysique, modélisation moléculaire, ingénierie enzymatique et synthèse organique, nous aborderons quatre objectifs : (1) établir le niveau de spécificité des protéines naturelles vis-à-vis des types de Q/QH2, (2) identifier les acides aminés qui font partie des sites de fixation de Q/QH2 et ceux qui interagissent avec les Q/QH2, (3) révéler le lien évolutif entre la structure du site de fixation de Q/QH2 et la disponibilité du type Q/QH2 et (4) modifier la spécificité des enzymes vis-à-vis des Q/QH2 par l'ingénierie protéinique. Le premier apport de ADAPT2Q sera la synthèse de nouveaux analogues hydrophiles et porteurs de spin, qui profitera à l'ensemble de la communauté travaillant sur les enzymes Q/QH2. Le deuxième sera une vue globale sans précédent des événements de l'évolution des voies de la biogénèse des Q/QH2 au sein du monde procaryote, qui sera utile à tous les chercheurs intéressés par la bioénergétique. Mais le bénéfice global du projet sera une compréhension moléculaire des interactions entre Q et enzymes partenaires, ainsi qu'une perspective globale de leur évolution au cours des 3 derniers milliards d’années.

Les entérovirus (EVs) sont des agents pathogènes de plus en plus préoccupants en santé publique, avec l’émergence récurrente de nouveaux agents. Bien que souvent associés à des manifestations cliniques bénignes, ils peuvent cependant entraîner des complications graves telles que des encéphalites, méningites, pneumonies, myocardites et poliomyélites. De par la grande diversité génotypique des EVs, des molécules ciblant des protéines virales fortement conservées peuvent être envisagées pour le développement d’antiviraux pan-entérovirus. À cet égard, la protéine non structurelle 2C, la plus conservée chez les EVs, possède des fonctions essentielles à la réplication virale, et s’avère une cible antivirale attractive. De récentes études ont montré que la Fluoxétine (un antidépresseur commercialisé sous le nom de Prozac®) inhibe efficacement la réplication des EVs humains en ciblant un site allostérique de la protéine virale 2C, ce qui en fait un ‘point de départ’ prometteur pour le développement d’antiviraux. Parce que le repositionnement de médicaments souffre souvent d'une efficacité et d'une pharmacocinétique (PK) sous-optimales pour les maladies virales, nous souhaitons optimiser la Fluoxétine en nouveaux antiviraux à large spectre pour traiter les infections à entérovirus et les pathologies graves qui y sont associés. Pour accélérer l'optimisation de la Fluoxétine, nous proposons d’appliquer deux approches complémentaires de « conception de médicaments basée sur la structure » et « d’inhibiteurs covalents ciblés » qui reposent sur l’interaction étroite entre la chimie médicinale, la chémoinformatique, la biologie structurale, la biochimie et la virologie. Une stratégie d'optimisation sera mise en place via des cycles itératifs de (1) conception et évaluation de chimiothèques virtuelles d’analogues de la Fluoxétine par modélisation moléculaire, (2) synthèse chimique des analogues sélectionnés, (3) évaluation de l’efficacité in vitro et ex vivo de l'effet inhibiteur des analogues synthétisés sur des protéines 2C recombinantes et des modèles d’infection par EV, (4) détermination des modes d’action pour explorer les interactions entre les analogues de la Fluoxétine et les protéines 2C d’EVs. Enfin, l'effet antiviral et les propriétés pharmacocinétiques du (ou des) candidat(s) le(s) plus efficace(s) seront évalués lors d’essais précliniques in vivo sur un modèle animal d’entérovirus adéquat. Ces travaux poseront les bases d'une nouvelle stratégie antivirale ciblant spécifiquement la protéine 2C d’EVs, une protéine essentielle à la réplication virale, grâce au développement de nouveaux antiviraux à large spectre qui présenteront des modes d'action originaux.

L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier de manière combinée les aspects Matériaux, Procédés et Comportement Mécanique de structures bobinées Carbone Thermoplastique acrylique, Elium, dans la perspective de permettre son emploi pour les réservoirs hautes pressions H2 pour en réduire les coûts de fabrication, améliorer leur fiabilité et offrir une capacité de recyclage effective. Ce projet présente plusieurs caractéristiques novatrices : i) Il aborde la problématique de l’optimisation des structures composites dans sa globalité Matériaux – Procédés – Propriétés induites, en mobilisant une équipe pluridisciplinaire et des compétences à la fois expérimentales et de modélisation. ii) Il introduit le rôle central du procédé de fabrication dans son interaction avec les matières 1eres et dans l’optimisation de ses paramètres sous la contrainte de propriétés induites cibles, iii) il ouvre ainsi la voie à une interaction des simulations de fabrication et de comportement en service, requis pour une pleine exploitation du paradigme des Jumeaux Numériques. Dans le même temps, il s’appuie sur des essais de caractérisation originaux (banc d’essai multiaxiaux sur mèches, essais spécifiques, suivi de fissuration et de mise en œuvre sur pilote de procédé instrumenté…) et adaptés aux requis des nouveaux matériaux employés. De plus, il traite de la modélisation d'un procédé, l'enroulement filamentaire, qui a fait l'objet de très peu de travaux académiques depuis la fin des années 2000 et pour laquelle on propose à la fois une analyse exhaustive des différentes phases de ce procédé et à la fois la prise en compte des comportements mécaniques, thermique et, quand approprié, de perméabilité ou de cinétique de polymérisation, spécifiques aux matériaux du projet. Enfin, il vise à démontrer l’intérêt d’une matrice thermoplastique originale en levant les verrous de son emploi actuel pour l’application des réservoirs de stockage.

L'objectif de ce projet est d'utiliser la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la polarisation nucléaire dynamique (DNP) pour étudier les processus de cristallisation du carbonate de calcium, l'un des matériaux les plus abondants sur terre. De plus, le carbonate de calcium est impliqué dans le cycle global du carbone mais son processus de cristallisation est encore mal compris. Notre but est donc de développer des méthodologies DNP RMN pour étudier les mécanismes qui se produisent à partir des molécules de CaCO3 dispersées en solution jusqu'à la croissance des minéraux CaCO3 finaux. Plus précisément, ce projet propose de développer une expérience de RMN DNP en fonction du temps pour piéger et étudier au niveau atomique les différentes phases intermédiaires qui se développent au cours du processus de cristallisation du CaCO3. Plus précisément, nous prévoyons de construire un équipement capable de piéger rapidement les premières étapes de la cristallisation telles que les regroupements d’atomes à l’origine de l’assemblage des molécules de CaCO3, et qui sont au cœur de la formation d'un polymorphe spécifique. Les gains de sensibilité apportés par la RMN DNP nous permettront de détecter des phases intermédiaires à courte durée de vie, qui sont généralement présentes en très faibles quantités lors des processus de cristallisation et sont donc en dessous des limites de détection des méthodes RMN conventionnelles. De plus, les gains de sensibilité, offerts par la RMN DNP, devraient également permettre d’observer les atomes de calcium présents en abondance isotopique naturelle dans le CaCO3. Nous prévoyons que la connaissance de ces détails au niveau moléculaire améliorera notre compréhension de la formation des différents polymorphes du carbonate de calcium.

Élucider les mécanismes des réactions enzymatiques est fondamental pour concevoir des catalyseurs biomimétiques plus efficaces ou des mutants de protéines avec une activité catalytique renforcée. La modélisation précise d'un cycle catalytique à plusieurs étapes impose trois exigences essentielles : (i) une description quantique de haut niveau du centre réactif, (ii) l'échantillonnage correct de l'espace conformationnel de la protéine, et (iii) la simulation des processus se produisant au-delà l'échelle de temps de la nanoseconde. Le projet MAPPLE vise à développer, mettre en œuvre, valider et appliquer une nouvelle méthode QM/MD pour une description précise de la catalyse enzymatique, en combinant des développements récents tels que les méthodes de chimie quantique à croissancelinéaire, des interactions électrostatiques QM-MM entièrement variationnels utilisant un champ de force atomistique polarisable, et l'optimisation logicielle pour le calcul hautes performances. Cette nouvelle méthode QM/MD sera appliquée à une photocatalyse d'alcane synthase présente dans une microalgue, qui utilise la lumière pour transformer les acides gras en alcanes supérieurs. La réaction catalytique implique une initiation photochimique, plusieurs intermédiaires radicalaires et un cycle catalytique en 7 étapes avec des transformations allant de centaines de picosecondes à des dizaines de nanosecondes. Une fois terminé, le projet MAPPLE fournira un outil de modélisation de nouvelle génération utilisant des prouesses scientifiques et logicielles de pointe, généralisables à toute réactivité des macromolécules biologiques.

Le but de ce projet est de fournir une voie d’accès à des nano-anneaux conjugués électro-déficients (i. e. macrocycles de diamètres ? 2 nm) et d’explorer leurs propriétés physico-chimiques. Les nano-anneaux larges, riches en électrons (i. e. basés sur des carbazoles, phénylènes, ou porphyrines) sont des structures singulières possédant des propriétés exceptionnelles comme de la fluorescence inhabituelle, de la cohérence quantique, ou de l’anti-aromaticité sur anneau large. Ces propriétés uniques sont d’un grand intérêt pour l’électronique moléculaire ou pour des composés fluorescents intelligents. Cependant, les nano-anneaux cationiques et conjugués, pauvres en électrons ont été négligés. En fait, de tels composés n’ont à ce jour jamais été décrits. L’incorporation de structures électro-déficientes dans des nano-anneaux conjugués devrait fournir une toute nouvelle classe de composés aux propriétés sans précèdent. Dans ce contexte, les blocs de construction de type viologènes (i. e. contenant des unités 4-4’-bipyridinium) semblent parfaitement adaptés en raison de leur nature électro-déficiente et de leurs structures ajustables. Cependant, organiser des viologènes en nano-anneaux n’est pas trivial. Dans ce projet, nous proposons une stratégie directe d’accès à des nano-anneaux électro-déficients, solubles dans l’eau en utilisant une approche « template » de type hôte-invite mettant en scène des viologènes, des macrocycles cucurbiturils et des oligomères en forme d’étoile qui représentent une voie d’accès vers les nano-anneaux électro-déficients. Nous prévoyons d’étudier en détail les caractéristiques physico-chimiques de cette nouvelle classe de composés caractérisés par (i) leur nature cationique, (ii) leur structure entrelacée, et (iii) leur hydrosolubilité.

En plus de progrès dans l’ingénierie moléculaire et des matériaux, il existe un fort besoin d’une technique à résolution atomique et largement utilisable pour permettre la conception des matériaux de demain. Parmi les outils disponibles, la résonance magnétique nucléaire (RMN) occupe une place de choix car cette spectroscopie repose sur des observables locaux et qui ne nécessitent pas d’ordre à longue distance. Cependant, la RMN possède un point faible qui est son inhérente faible sensibilité. Récemment, la Polarisation Dynamique Nucléaire (DNP) a permis de changer la donne en boostant de manière exceptionnelle la sensibilité de la RMN. Ainsi, des expériences RMN jusqu’ici exclues sont maintenant possibles en routine grâce à la DNP, avec une augmentation des signaux par un facteur 100, ce qui se traduit par un gain en temps par un facteur 100 000 ! Cependant, malgré ces succès, l’utilisation de la RMN DNP reste difficile voire impossible pour la caractérisation de systèmes ayant des surfaces réactives. En outre, une perte d’efficacité majeure est observée au-delà de la température de transition (140 K) des matrices de solvants utilisées. Le but de ce projet est de concevoir des matériaux polarisants pour une DNP efficace à hauts champs et permettant de dépasser les limites actuelles de la RMN du solide utilisant la DNP. Le premier objectif de ce projet est de préparer des silices mésoporeuses et des nanoparticules de type coeur/coquille contenant des biradicaux stables d’architecture moléculaire optimisée. Le développement de nouvelles stratégies pour la RMN du solide DNP à des températures proches de l’ambiante sera le deuxième objectif. La caractérisation structurale par RMN DNP de surfaces très réactives tels que des catalyseurs hétérogènes contenant des fragments métallo-alkyles ou métallo-hydrures de surface sera le troisième objectif et validera la preuve de concept. La réussite même partielle de ces objectifs sera déjà un succès avec une plus-value immédiate.

Depuis plusieurs années, l'agriculture abandonne l'utilisation massive de pesticides permettant de protéger les cultures de ravageurs, tels que les bactéries, pouvant dévaster des cultures cruciales pour l'humanité. Le concept ONE HEALTH approuvé par différents pays encourage une approche globale de la lutte contre les bactéries pour l'homme et l'environnement en utilisant de nouvelles approches. Il ne fait aucun doute que la sécurisation de la chaîne alimentaire a un impact considérable sur le bien-être de l'humanité. Ainsi, KILLER fera une percée importante dans le concept de traitements antimicrobiens à travers le développement d'une famille versatile de nanoparticules inorganiques conjuguées à des amorceurs radicalaires (alkoxyamines R1R2NOR3) permettant une production contrôlée de radicaux basée sur l'activation de nanoparticules par des stimuli externes. Nous avons choisi de nous focaliser sur deux types de nanoparticules inorganiques complémentaires capable générer de la chaleur sous l’effet de stimuli externes : (i) nanoparticules d’oxyde de fer, Fe3O4, activables par champ magnétique alternatif, et (ii) nano-objets de Bleu de Prusse activables par irradiation lumineuse dans le proche infrarouge. Le but de ce projet est d’apporter la preuve de concept pour notre approche et de le tester in vitro et in vivo sur des maladies des jeunes plantes (olivier et vigne) dues à l’infection par Xylella fastidiosa bacterie, émergente en Europe.

L'un des principaux défis actuels de la science des polymères est de développer de nouveaux matériaux fonctionnels avec une empreinte environnementale minimale. L'objectif de ce projet est l'introduction de fonctionnalités contenant des hétéroatomes (à base de S, Se et P) dans les polyoléfines pour améliorer leurs propriétés et/ou en conférer de nouvelles. Pour ce faire, MGrROP vise à faire progresser la méthodologie rROP naissante pour étendre la diversité des hétérocycles capables d'une copolymérisation statistique efficace avec différentes classes de monomères vinyliques (non seulement les acrylates, mais aussi les styrènes, les esters vinyliques, les diènes). De nouveaux hétérocycles (thionolactones, sélénolactones et thiono phosphoesters/phosphonates cycliques) seront préparés en utilisant des méthodologies connues ou en développant des approches de synthèse originales. Le comportement de ces nouveaux monomères hétérocycliques en rROP sera exploré en profondeur par une approche expérimentale/théorique conjointe. Une attention particulière sera accordée à la relation structure-réactivité, de sorte que (i) les caractéristiques clés pour des processus efficaces d'ouverture de cycle et de propagation radicalaires sont définies, et (ii) les conditions d'une copolymérisation efficace avec les différents types de monomères vinyliques sont identifiées. Cette approche permettra d'introduire des hétéroéléments (S, Se et P) le long du squelette polyoléfinique, ce qui peut conférer de nouvelles propriétés telles que dégradabilité, indice de réfraction élevé et résistance au feu. Ces propriétés seront étudiées avec une attention particulière à l'impact de la quantité et de la distribution des fonctions contenant des hétéroatomes dans les chaînes polymères.

Aujourd'hui, environ 45 % des matériaux polymères sont produits au moyen de procédés de polymérisation radicalaire. Compte tenu de la diversité des applications, tous ces matériaux préparés par polymérisation radicalaire sont intrinsèquement très vulnérables à l'inhibition par l'oxygène, ce qui entraîne une polymérisation incomplète, se manifestant notamment par une surface supérieure collante, une détérioration des propriétés mécaniques ou, dans d'autres cas, par un échec total de la polymérisation. Le problème de l'inhibition par l'oxygène est totalement universel à toutes les applications de polymérisation radicalaire. Par conséquent, le développement de nouvelles stratégies et/ou d'additifs permettant un processus efficace sous l'air est un défi remarquable. Dans ce projet, cinq approches complémentaires visant à résoudre le problème de l'inhibition de l'oxygène sont proposées pour des matériaux et des procédés plus durables et plus efficaces sur le plan énergétique. Tout d'abord, la caractérisation de l'inhibition par l'oxygène dans différents processus de polymérisation sera effectuée. Dans une deuxième tâche, la combinaison de deux modes de polymérisation, à savoir la polymérisation radicalaire et cationique, pourrait améliorer considérablement la conversion des monomères en associant la polymérisation radicalaire à la polymérisation cationique insensible à l'oxygène. Dans une troisième tâche, le développement de photoamorceurs insensibles à l'oxygène sera proposé. Cette tâche est fortement liée à la quatrième tâche visant à développer de nouveaux additifs favorisant la consommation d'oxygène. Enfin, ces différentes approches seront testées en conditions industrielles par notre partenaire Arkema (ANR PRCE). Les applications à haute valeur ajoutée seront : i) la polymérisation de monomères renouvelables pour une chimie plus durable et de monomères d'intérêt industriel (pour les marchés des revêtements et des adhésifs) et ii) le durcissement des composites.

En adéquation avec l’axe 2.1 de l’appel à projet générique, le projet PlasMORE-LIGHT vise à étudier un concept en rupture de rectennas optiques afin de convertir la lumière en électricité dans le visible et l’infrarouge. Nous explorons un paradigme nouveau dans lequel les propriétés ondulatoires de la lumière sont exploitées pour convertir des ondes électromagnétiques aux fréquences optiques en courant direct. L’approche proposée vise à étudier les interactions entre électronique moléculaire et plasmonique et à développer des matériaux nanostructurés fonctionnels pour la récupération d’énergie. Pour atteindre ces objectifs, ce projet combine les compétences et les expertises de quatre laboratoires (IM2NP, CINaM, IEMN et ICR) dans divers domaines incluant la modélisation multi-physique, les diodes moléculaires, la chimie organique, la nanofabrication, la synthèse de matériaux, et les caractérisations avancées aux échelles macroscopiques et nanoscopiques.

L'aquaculture est devenue essentielle pour la production alimentaire humaine, et connaît une croissance très rapide. Elle est menacée par de multiples maladies, notamment celles causées par des virus, pour lesquelles il n'existe aucun traitement économiquement viable. Le développement d’une aquaculture « durable » nécessite donc de nouveaux vaccins contre les maladies virales. Bien que les vaccins à ARN messager (ARNm) fassent depuis peu partie intégrante de l'arsenal vaccinal, ils en sont encore à leurs balbutiements chez les poissons. Nous venons d'obtenir un vaccin ARNm à LipoNanoParticules (LNP) contre un virus de la carpe, basé sur les résultats de notre précédent financement ANR, FishRNAvax. Ce vaccin induit une protection efficace avec une relativement faible dose d'ARNm. Pour optimiser ce premier candidat vaccin à ARNm, nous proposons de comprendre les mécanismes impliqués car les modes d'action des vaccins à ARNm restent mal connus. Dans ce but, nous nous concentrerons sur deux maladies des poissons, respectivement causées par le virus de la septicémie hémorragique virale - VHSV - chez la truite, et par le virus de la virémie printanière de la carpe - SVCV - chez la carpe. Ces deux modèles correspondent à des maladies à déclaration obligatoire et ciblent des espèces représentatives des deux principaux groupes de poissons d'élevage, les cyprinidés et les salmonidés. Ces modèles permettent aussi la comparaison avec des vaccins à ADN existants exprimant les mêmes antigènes, qui induisent une protection élevée et des anticorps neutralisants. Le projet vise à caractériser les réponses immunitaires, innées et adaptatives, en recherchant les corrélats de la protection induite par les vaccins LNP-ARNm chez la carpe et la truite, afin d'optimiser la formulation des vaccins ARNm avec une faible quantité d'ARNm. Nous analyserons la biodistribution de l'ARNm LNP après vaccination, et sa modulation par trois immunostimulants agissant comme adjuvants. En effet, nous faisons l’hypothèse que la co-administration de LNP mRNA avec des micelles apportant des agonistes de TLR augmentera la qualité et l'intensité des réponses, et améliorera leur localisation muqueuse. Nous caractériserons l'effet de l'induction de l'IFN de type I au site d'injection, car il augmente considérablement l'intensité de la réponse au vaccin ADN chez le saumon, et la protection. Nous étudierons également la structure des réponses cellulaires B/T induites par les vaccins ARNm LNP ou par un challenge des poissons vaccinés, par séquençage du répertoire Ig/TCR. Sur la base de nos travaux antérieurs, nous déterminerons la fréquence des composants publics (présents chez tous les individus) des réponses induites par les vaccins à ARNm LNP, en comparaison avec un vaccin vivant atténué. Le consortium réunit quatre partenaires ayant une expertise complémentaire en chimie, immunologie moléculaire des poissons et vaccinologie, afin d'optimiser la nanoformulation des vaccins ARNm LNP et d'explorer les particularités des réponses des poissons à ces vaccins innovants. Le développement récent de vaccins ARNm contre le COVID19 a mis en évidence le manque de connaissances sur les caractéristiques de ces vaccins, en termes de qualité et de durée, ainsi que sur leur biodistribution, et l'importance des doses d’ARN. Outre le développement de candidats vaccins ARNm optimisés pour la carpe et la truite, ce projet fournira des connaissances de base sur les mécanismes immunitaires des réponses induites par les vaccins ARNm de poisson lorsqu'ils sont conditionnés dans une plateforme nanocarrier biodégradable. En outre, il explorera i) l'importance des doses d'ARNm pour assurer la protection ii) l'importance de la co-administration d'immunomodulateurs (ligands TLR) pour augmenter l'immunité durable et les réponses immunitaires muqueuses. Ces connaissances seront utiles pour guider les développements futurs et la conception de la prochaine génération de vaccins à ARNm pour les poissons.

Les neutrophiles sont les leucocytes les plus abondants et représentent la première ligne de défense contre les bactéries pathogènes. L'activité antimicrobienne des neutrophiles repose sur leur capacité à déclencher un stress oxydant dépendant de la myéloperoxydase (MPO). Parallèlement à la production largement décrite d'acide hypochloreux (HOCl), la formation d'autres entités hautement oxydantes par la MPO lors d'une infection bactérienne a été récemment suggérée. Parmi les candidats potentiels, des études in vitro ont proposé l'implication de la N-chlorotaurine (N-ChT) et de l'hydroperoxyde urate (UA-OOH). La N-ChT est générée par la réaction entre la taurine (un dérivé d’acide aminé abondant) et l’HOCl, alors que l'UA-OOH est produit par l'oxydation de l'urate (dérivé du catabolisme des purines) catalysée par la MPO dans une situation de stress oxydant. NeutrOX est un projet multidisciplinaire, rassemblant chimistes, microbiologistes et immunologistes, qui vise à caractériser pour la première fois in vivo l'activité antimicrobienne d’espèces oxydantes, autres que HOCl, générées par la MPO. Ce projet utilisera Salmonella comme organisme pathogène modèle. Au cours de l’interaction Salmonella-neutrophiles, NeutrOX abordera deux questions fondamentales liées au stress oxydant médié par les neutrophiles: 1) Les entités hautement oxydantes dépendant de la MPO, la N-ChT et l’UA-OOH, se forment-elles au cours d'une infection par Salmonella ? 2) Comment Salmonella réagit-elle à ces oxydants ? Après une première étape de synthèse chimique conduisant à la préparation et la purification de la N-ChT et de l'UA-OOH, des méthodes analytiques et spectrométriques robustes seront mises en place pour détecter ces espèces, dès les plus faibles concentrations, dans différents milieux biologiques. Ce large éventail de techniques - une fois optimisées -, sera ensuite appliqué pour suivre la formation de la N-ChT et de l’UA-OOH dans les neutrophiles humains infectés par Salmonella. Deuxièmement, nous caractériserons in vitro les activités antimicrobiennes de la N-ChT et de l'UA-OOH contre Salmonella. Nous identifierons par la suite les mécanismes moléculaires de résistance pour chacun de ces stress, une étape importante pour mieux comprendre les voies d'adaptation et de survie de ce pathogène. Enfin, nous mettrons à profit cette étude moléculaire pour développer des sondes de détection biologiques appelées « biosenseurs » bactériens (promoteur fusionné à un gène codant pour une protéine fluorescente) dont l’expression constituerait un marqueur de la présence d’un ou plusieurs oxydants dérivés de la MPO. Ces biosenseurs seraient alors des outils performants pour la détection in vivo des dérivés oxydants à l’échelle de la cellule unique, à mettre en parallèle avec le suivi de la formation de UA-OOH et N-ChT dans le milieu par les techniques analytiques précédemment développées. Le but ultime de NeutrOX sera d’étudier in vivo, dans un modèle murin de salmonellose, la pertinence du suivi des différentes entités oxydantes produites par la MPO que nous ciblons et de déterminer leurs contributions respectives dans la réponse de l'hôte à l'infection par Salmonella. Les concepts innovants et les informations obtenues au cours de ce projet permettront de mieux appréhender l'importance du stress oxydant produit par la réponse immunitaire de l'hôte. De plus, ce projet sera décisif en implémentant notre compréhension des stratégies de défense des pathogènes contre le stress oxydant et pourrait servir également d’empreinte pour la conception et le développement futur de nouveaux agents antibactériens.

La résistance bactérienne aux antibiotiques est devenue un des enjeux majeurs en termes de santé publique. En effet à cause principalement de la surconsommation et/ou mauvaise utilisation des antibiotiques, de nombreuses souches de bactéries sont devenues résistantes voir multirésistantes aux antibiotiques actuels. Par ailleurs, très peu de nouveaux antibiotiques sont proposés chaque année sur le marché et ceux qui le sont permettent de lutter principalement que contre une souche de bactérie donnée. Il est donc urgent de trouver des alternatives aux antibiotiques. Plusieurs pistes ont été ou sont à ce jour en cours d’étude comme celle basée sur l’utilisation des bactériophages, de la stimulation immunitaire ou encore des peptides antimicrobiens. Cependant aucune d’entre elles n’a donné de résultat probant lors des essais cliniques de phase I à III. Une autre alternative possible aux antibiotiques repose sur l’utilisation de copolymères cationiques amphiphiles. Ces copolymères synthétiques ont en effet prouvé présenter une très bonne activité antibactérienne contre des bactéries du type Gram+, Gram- et/ou multirésistantes. Ils sont par ailleurs non toxiques et présentent l’avantage de ne pas induire de résistance car ils utilisent un mécanisme d’action ciblant la membrane des bactéries provoquant la lyse de ces dernières. De nombreuses familles de (co)polymères ont été étudiées ces dernières années comme les polyacryliques, polymethacryliques, polyionenes ou les polymaleimides par exemple, mais presque exclusivement in vitro. Une utilisation in vivo de ces copolymères nécessite en effet que ces derniers soient dégradables. Or très peu de copolymères antibactériens dégradables ont été développés jusqu’à ce jour à cause du choix limité de monomères. Parmi eux, les polycarbonates sont certainement la famille de polymères dégradables qui a donné les résultats les plus encourageants lors des tests in vivo. Le but de ce projet est de synthétiser de nouveaux copolymères cationiques antibactériens dégradables en utilisant la polymérisation radicalaire par ouverture de cycle (rROP) afin de proposer une nouvelle alternative aux antibiotiques et qui soit par ailleurs extrapolable à l’échelle industrielle. De tels copolymères représenteraient une avancée majeure dans la lutte contre la résistance bactérienne et le traitement des infections systémiques.

Les systèmes de stockage d'énergie étirables à base de microbatteries ont suscité l’intérêt des technologies portables comme celle des textiles électroniques intelligents. Cependant, les performances de ces dispositifs restent généralement bien en deçà des niveaux requis car les multiples fractures apparaissant sous sollicitations mécaniques et chimiques entrainent la perte des contacts électriques. Le défi technologique consiste donc à concevoir un dispositif de stockage de l’énergie sûr et efficace présentant des propriétés mécaniques avancées pour éviter l'apparition de fractures durant les tests mécaniques et électrochimiques. HIPERSLIM a pour objectif de fabriquer une microbatterie Li-ion étirable fournissant des capacités surfaciques > 1 mAh.cm-2 tout en supportant de fortes déformations (jusqu'à 100%) pour les applications portables. L’approche innovante repose sur l’assemblage de deux substrats souples comportant des rangées de micropilliers (anodes et cathodes) en forme de serpentins qui seront séparés par un électrolyte polymère auto-réparant. Par rapport à l'état de l'art, cette nouvelle approche technologique présente plusieurs avantages: i) une meilleure exploitation de la surface du substrat par les matériaux actifs qui peuvent couvrir plus de 70% de la surface. ii) Contrairement aux films minces compacts, les électrodes constituées de micropiliers comportent des espaces libres qui évitent la fracture des matériaux et la formation de fissures à l'interface électrode / collecteur de courant occasionnées par les variations de volume des électrodes lors de l'insertion / extraction des ions Li+. iii) Les électrodes microstructurées 3D augmentent également les densités d'énergie et de puissance de la microbatterie grâce à une aire spécifique générée entre les électrodes et l'électrolyte beaucoup plus grande. iv) L'utilisation d'un électrolyte polymère auto-réparant innovant, basé sur un copolymère à bloc contenant des groupes élastomères et conducteurs ioniques associés à la présence de motifs réparateurs dynamiques (liaisons hydrogène), qui permet d’assurer également une bonne qualité des interfaces lors des essais mécaniques et des réactions électrochimiques. Par rapport aux résultats rapportés dans la littérature, la microbatterie réalisée dans le cadre de ce travail conduira à une grande densité d'énergie et de puissance ainsi qu'une longue durée de vie sous de fortes contraintes mécaniques. Pour contourner les verrous scientifiques et technologiques et assurer le succès du projet en 42 mois, il est nécessaire de joindre quatre compétences en: i) Microélectronique flexible, ii) Techniques de dépôt de films minces et procédés de microfabrication, iii) Sciences des polymères, iv) Stockage électrochimique de l’énergie. Conformément aux connaissances scientifiques et techniques complémentaires des partenaires, HIPERSLIM est divisé en 5 postes de travail : 1) La gestion et la coordination du projet. 2) L’optimisation de la conception de l'électrode en établissant une relation entre la déformation maximale du substrat et la surface recouverte par les serpentins. 3) La fabrication d'électrodes serpentins constituées de micropiliers sur des substrats étirables. 4) La synthèse et le dépôt d'électrolytes polymères auto-réparants. 5) Les caractérisations électrochimiques et mécaniques des microbatteries étirables ainsi que les applications potentielles. HIPERSLIM aboutira à la réalisation d'une microbatterie Li-ion étirable fournissant des valeurs élevées de la capacité surfacique (> 1mAh.cm-2) tout en supportant de fortes déformations (jusqu'à 100%). Son exploitation est envisagée pour fournir de l’énergie à différents dispositifs de faible puissance. Comme produit final, nous proposons de fabriquer un bracelet électronique intelligent extensible intégrant un prototype qui épouse le corps.

Ce projet utilise la complexation des boranes avec des bases de Lewis, formant des paires de Lewis classiques maintenues par des liaisons datives pour i) accéder à des matériaux polymères hydrogénés (riches en H) pouvant libérer du dihydrogène thermiquement ou catalytiquement lorsque des amine-boranes sont utilisées et ii) stabiliser des radicaux positionnés avec précision sur des chaînes polymériques : les radicaux seront obtenus par translocation radicalaire d'atomes hydrogène. Les propriétés recherchées seront codées, soit au niveau moléculaire dans les briques menant aux polymères, soit post-polymérisation. L'architecture et l'auto-assemblage des (co)polymères permettra de contrôler ces propriétés au niveau macroscopique, et ainsi de les optimiser, voire d'en créer de nouvelles. Nous souhaitons ainsi conférer des propriétés uniques à des squelettes polymères usuels en y incluant des paires de Lewis borées en utilisant des copolymérisations (radicalaires en particulier) ou des polycondensations, ainsi que des réactions de fonctionnalisation. Le projet PolyBora s'inscrit dans une démarche de recherche fondamentale d'un côté (polymères dynamiques borés contenant des paires de Lewis) mais aussi capitalise le savoir généré à travers des applications valorisables: 1) le stockage/relargage d'hydrogène dans des matériaux (défi sociétal identifié); 2) la stabilisation de radicaux dans des matériaux (pour des applications comme de l'imagerie/spectroscopie assistée par DNP par ex.).

La photopolymérisation est un procédé permettant un contrôle à la fois temporel et spatial de la polymérisation à température ambiante qui trouve application dans de nombreux domaines tels que les revêtements, les encres et la fabrication additive. Néanmoins, la plupart des systèmes de photopolymérisation utilisés aujourd'hui aux niveaux industriel et académique reposent généralement sur la production in-situ d’espèces actives sous UV ou lumière visible pour déclencher la polymérisation. Si cette stratégie est très efficace pour initier ou catalyser la polymérisation de différents monomères à température ambiante, plusieurs inconvénients subsistent: 1) la faible profondeur de pénétration des photons dans le domaine UV et visible limite la production de matériaux épais ou de composites; 2) les courtes longueurs d'onde associées à l'irradiation UV sont nocives; 3) étant donné que la photopolymérisation a lieu à température ambiante, l'accès à une large gamme de polymères nécessitant le dépassement de barrières d’activation à haute énergie est impossible. Il est donc nécessaire de développer une technologie qui permette un contrôle spatial et temporel de la polymérisation, comme la photopolymérisation, tout en utilisant des longueurs d'onde d'irradiation plus sûres (proche infrarouge), permettant la formation d’échantillon épais, et qui offre les avantages de la polymérisation thermique (augmentation de température). À cet égard, l'utilisation de l'effet photothermique est apparue au cours des dix dernières années comme une stratégie efficace pour convertir un rayonnement proche infrarouge (NIR) en chaleur avec une haute résolution spatiale (nanomètres) et temporelle (picosecondes) et avec une pénétration de la lumière jusqu’à plusieurs centimètres. Cependant, dans la plupart des cas, la polymérisation photothermique a été réalisée à l'aide de nanoparticules d'or qui augmentent fortement le coût de cette technologie et posent des problèmes de compatibilité potentiels avec les formulations organiques (résines et monomères). En conséquence, le projet EXPO-PHOTO vise à synthétiser des colorants organiques absorbant dans le proche infrarouge et ayant un fort effet photothermique (WP1). Ceux-ci seront ensuite utilisés pour induire un échauffement local de la matière dans le but d’établir de nouveaux procédés de polymérisation photothermique. À cette fin, une étude approfondie sera menée pour déterminer et modéliser la relation structure/effet photothermique des colorants organiques. Le potentiel de cette approche sera exploité pour trois domaines d’application clés: la fonctionnalisation et la réalisation de motifs sur surfaces par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (WP2), l’élaboration de composites époxy-anhydride (WP2) et la préparation d’adhésifs et de revêtements polyhydroxyuréthane (WP3). Pour atteindre ces objectifs, le projet EXPO-PHOTO rassemble un consortium constitué de trois partenaires académiques aux compétences reconnues et bien définies dans les domaines de la synthèse organique (ICR, D.Gigmes), de la photochimie (IS2M, J.Lalevée) et de la synthèse de polymères (ICGM, J. Pinaud et S. Caillol).

La chimie est couramment employée dans l'industrie des polymères en raison de sa polyvalence et de son efficacité. Cependant, elle souffre d’inconvénients majeurs concernant la sécurité et les conditions d'utilisation drastiques. Ces contraintes sont actuellement résolues de manière empirique, suscitant des inquiétudes dramatiques sur la sécurité et la fiabilité. Le développement d’un contrôleur de polymérisation radicalaire pourrait limiter la surchauffe lors de procédé radicalaire et permettre une polymérisation complète. Un moyen de contrôler la polymérisation des monomères consisterait à utiliser des inhibiteurs intelligents qui ralentiraient la vitesse de polymérisation lors de conditions non adaptées. Pour atteindre cet objectif, nous prévoyons d'utiliser comme inhibiteurs intelligents des alcoxyamines capables de se cliver en espèces radicalaires dans des conditions particulières.

L’objectif de ce projet est de développer une méthodologie originale de fonctionnalisation régiosélective de liaisons « Csp3-H non activées » par réaction de Transfert d'Atome d'Hydrogène (HAT). L'originalité de l'approche proposée réside dans le mode de contrôle de la régiosélectivité utilisant un complexe organométallique directeur transitoire dont la topologie permet d’orienter la réaction de HAT vers une liaison Csp3-H souhaitée. La régiosélectivité est alors contrôlée par le groupement directeur et non plus les propriétés intrinsèques de la liaison Csp3-H (BDE, polarité…) du substrat. Cette approche permettrait de fonctionnaliser des liaisons C-H non activées, jusqu’à présent inaccessibles. Des applications immédiates sont possibles pour la fonctionnalisation tardive de molécules complexes, de « Feedstock compounds » ou d’acides aminées.

La protéine archaerhodopsin-3 (AR-3), une pompe à protons photo-activable issue d'Halorubrum sodomense, est à l’origine de toute une classe d'indicateurs de tension membranaire, génétiquement modifiés pour être fluorescents (GEVI). Comme dans d'autres rhodopsines microbiennes, l'absorption de la lumière visible déclenche dans AR-3 la photoisomérisation réversible de son chromophore appelé rétinal, qui conduit à l'apparition de plusieurs intermédiaires avec une durée de vie couvrant une échelle de temps de la sub-picoseconde à la milliseconde. Les applications en microscopie neuronale basées sur l'AR-3 sont variées, grâce à d'importantes modifications génétiques et au criblage des meilleurs GEVIs. Mais leur champ d'application reste limité, entravé par leur luminosité de fluorescence plutôt faible par rapport aux protéines fluorescentes (FP). Parallèlement à l'approche de sélection génétique, le détail des mécanismes de fluorescence moléculaire des archaerhodopsines n’est pas suffisamment connu pour permettre l’utilisation efficace d’une approche rationnelle visant à améliorer leurs propriétés de fluorescence. À la différence des autres rhodopsines et protéines dont la fluorescence est initiée par 1 photon, la fluorescence de l’AR-3 naturelle nécessite l'absorption de 3 photons. L'état fluorescent est produit à un stade tardif du photo-cycle de AR-3 (> 1 ms) à partir d'un intermédiaire dans l'état fondamental obtenu après l’isomérisation du rétinal à l'état excité (~ 1 ps), rendant ainsi sa caractérisation structurale ou spectroscopique très difficile. Aujourd’hui encore, une compréhension détaillée de ce mécanisme manque. Ce défi sera relevé dans le cadre du projet de recherche UltrArchae en appliquant des méthodes avancées de spectroscopies électroniques et vibrationnelles ultrarapides et des méthodes de chimie quantique de pointe, soutenues par la cristallographie aux rayons X résolue temporellement. Celles-ci seront appliquées pour caractériser les différents intermédiaires transitoires caractérisant la majeure partie du photo-cycle d’AR-3. Ces méthodes, en particulier un nouveau schéma d'excitation avec trois impulsions laser ultra-courtes précisément chronométrées et un nouveau modèle QM/MM basé sur une extension de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps récemment développée, permettront d'obtenir des informations détaillées sur la dynamique structurelle et sur le profil énergétique dans l'état excité des états conformationnels métastables et fluorescents clés («intermédiaires») caractérisant AR-3 et certains de ses mutants. En particulier, des mutations ponctuelles sur des positions spécifiques (accepteurs de proton, poche de liaison du rétinal) permettront de comprendre quelles sont les étapes du photocycle d’AR-3 les plus affectées : photoisomérisation initiale plus performante augmentant la concentration des intermédiaires, modification de la durée de vie de l'intermédiaire fluorescent basée sur l'interaction de la cage protéique avec le chromophore ou sur la modification de l'équilibre chimique entre ces intermédiaires, ou activation / désactivation de canaux spécifiques de désexcitation de l'état intermédiaire fluorescent par mutation de résidus. UltrArchae est un projet inter-disciplinaire qui rassemble des physiciens, des physico-chimistes expérimentaux et théoriques ainsi que des biologistes structurelles de France (Aix-Marseille, Lille et Strasbourg) et du Royaume Uni. Le projet fournira pour la première fois une compréhension mécanistique détaillée des relations structure-fonction à l’origine des propriétés de fluorescence inhabituelles de AR-3 et de ses variants. Nous prévoyons que ces résultats seront d'une importance cruciale dans la poursuite de l'amélioration des capteurs fluorescents basés sur les protéines incorporant le chromophore rétinal.

Les matériaux polymères fonctionnels sont sur le point de jouer des rôles clés dans de nombreux domaines sociétaux majeurs (énergie, santé, environnement). Cependant, nos outils pour contrôler leurs structures primaires et secondaires restent rudimentaires, ce qui freine l’apparition de nouveaux matériaux aux fonctions moléculaires toujours plus contrôlées. En plus de nouvelles voies de synthèse, résoudre ce défi nécessite des outils sophistiqués de caractérisation permettant l’analyse structurale au niveau atomique de matériaux polymères, notamment à l’état solide où ceux-ci sont le plus souvent utilisés. La RMN du solide est très adaptée à l’analyse des polymères, surtout ceux qui ne sont éligibles aux études de diffraction, mais elle est limitée par sa faible sensibilité. Ce projet vise à pallier cette limitation grâce à la polarisation dynamique nucléaire (DNP), pour que la RMN DNP devienne une technique versatile et puissante pour l’analyse structurale des polymères fonctionnels.

Les peroxydes sont utilisés comme amorceurs de polymérisations radicalaires (PR). Comme composés dangereux, le transport et le stockage sont rigoureusement réglementés. Néanmoins, des accidents peuvent se produire lorsque des conditions climatiques extrêmes sont rencontrées, i.e., accident de Crosby (ouragan Harvey, 2017). Cet accident peut se produire en France malgré les réglementations drastiques type SEVESO. Ainsi, le développement d’amorceurs plus sûrs présentant la même réactivité est opportun. Nous avons montré que les alkoxyamines basées sur le concept de nitroxydes auto-dégradables donnent des PR présentant les mêmes caractéristiques que celles réalisées avec du BPO. Depuis des années, nous développons des alcoxyamines intelligentes, i.e., des alcoxyamines stables transformées en alcoxyamines labiles à l’aide de déclencheurs chimiques. La combinaison de nitroxydes auto-dégradables et d’alcoxyamines intelligentes conduira des alcoxyamines à des amorceurs plus sûr.

le projet RadiCoord propose de développer une méthodologie pour contrôler la copolymérisation des monomères 1-alcène avec des monomères vinyliques polaires en combinant la polymérisation par coordination-insertion (CIP) et la polymérisation radicalaire contrôlée. Ce projet est porté par Anthony Kermagoret, maitre de conférences a Institut de Chimie Radicalaire à Aix-Marseille Université, en collaboration avec Vincent Monteil de Chimie Catalyse Polymères et Procédés C2P2 de l’Université Claude Bernard Lyon I. La méthodologie reposera sur des complexes organométalliques de titane étant (i) d’excellents catalyseurs CIP et permettant la polymérisation vivante de l’éthylène à basse pression ainsi que (ii) des agents de polymérisation radicalaire conduite par des organométalliques (OMRP). Notre stratégie ambitionne de préparer un complexe organométallique de Ti(IV) efficace dans les deux polymérisations (CIP et OMRP) et de diriger son mode de polymérisation pendant le procédé pour contrôler l’insertion de 1-alcène et/ou insérer des monomères vinyliques polaires. Le contrôle du mode de polymérisation sera réalisé en modulant le caractère cationique ou neutre du complexe organométallique: les complexes cationiques Ti(IV) sont très réactifs avec les monomères 1-alcènes alors que les complexes neutres Ti(IV) peuvent libérer des radicaux carbonés par coupure homolytique en équilibre avec un complexe paramagnétique Ti(III). L’utilisation de ligands labiles anioniques ou d’acides ou bases de Lewis changera le caractère de l’espèce alkyle Ti(IV) pour basculer entre CIP et OMRP et produire des polymères à blocs ou statistiques. La polymérisation de monomères vinyliques polaires pourra être amorcée par OMRP, l’espèce dormante étant un complexe organométallique neutre de Ti(IV) piégeant la chaine polymère en croissance, puis l’ajout d’un acide de Lewis très fort modifiera le centre titane en espèce organométallique cationique pour insérer des monomères 1-alcènes et construire un polymère di-bloc polyoléfine-b-poly(vinyle polaire). Un basculement dynamique entre les deux modes de polymérisations donnera accès à des polymères statistiques. La première partie du projet reposera sur une thèse pour développer des complexes titane pour contrôler la polymérisation radicalaire de différents monomères (acrylates, méthacrylates, esters vinyliques). Cette partie sera appuyée par des études RPE (caractérisation des espèces paramagnétiques, évaluation des cinétiques de libération d’espèces radicalaires) et par des calculs DFT (calculs des énergies de rupture de liaisons) réalisés par l’équipe Chimie Théorique de ICR. Des études préliminaires (polymérisation, DFT et RPE) démontrent déjà l’effet des centres titane sur les espèces radicalaires actives en polymérisation. Une deuxième partie du projet mettra au point la méthode de basculement des complexes de Ti(IV) de l’OMRP vers CIP. Avec l’aide d’un contrat postdoc 18 mois, nous développerons la méthodologie de basculement du mode de polymérisation pour l’ingénierie macromoléculaire. Les compétences et les équipements de l’équipe C2P2 seront indispensables pour étudier la polymérisation des oléfines, notamment de l’éthylène. Le cout du projet RadiCoord est estimé à 289000 euros sur 4 ans. Cette stratégie à deux modes de polymérisation donnera accès à des matériaux inédits possédant des unités polyoléfines et des fonctions polaires.

AldyRed est un projet de recherche fondamentale qui ambitionne à long terme de permettre le remplacement des métaux réducteurs et des réactifs organométalliques en synthèse organique par les aldéhydes, c’est à dire des synthons organiques valorisables (dont l’oxydation stœchiométrique n’aboutirait pas à des déchets métalliques) et qui pourraient être (en principe) bio-sourcés. Sur la base de récents résultats préliminaires prometteurs, le projet s’intéresse plus particulièrement aux carbènes stables N-hétérocycliques, en tant qu’organocatalyseurs capables d’activer les aldéhydes et leurs dérivés pour former des énaminols intermédiaires, des réducteurs riches en électrons. Aldyred entend lever les obstacles fondamentaux qui se dresse encore sur le chemin qui conduira à des réactions organocatalysées utilisant les aldéhydes comme réducteurs puissants formels, dans le but ultime d’offrir un changement de paradigme pour des transformations réductives durables.

Le projet shapeNread vise à optimiser la structure tridimensionnelle de polymères synthétiques encodés pour permettre leur séquençage à haut débit en couplant la spectrométrie de masse en tandem à la spectrométrie de mobilité ionique. Ces polymères seront synthétisés de sorte à segmenter les informations binaires qu’ils contiennent. Les segments seront décorés par un marqueur spécifique afin de les distinguer en termes de masse et de conformation. Pour ce faire, les marqueurs seront conçus par modélisation moléculaire pour conférer aux segments des sections efficaces de collision distinctes. Une fois libérés de la chaîne polymérique lors d’une première étape de fragmentation, ces segments pourront alors être séparés par mobilité ionique pour séquençage individuel après une seconde étape de fragmentation. Un tel design permettra la lecture haut débit par MS/MS-IMS-MS/MS de l’information codée dans des macromolécules contenant chacune au moins un décabyte de données. Un développement spécifique du logiciel MS-DECODER assurera une analyse automatisée des données spectrales.

La polarisation dynamique nucléaire est une méthode puissante qui améliore la sensibilité RMN en transférant la polarisation de spin des électrons aux noyaux, mais elle reste limitée car elle exige des températures cryogéniques et un dopage paramagnétique qui altèrent la résolution et la sensibilité. Une approche plus avantageuse serait de polariser un matériau donné directement à partir d'un substrat lui-même très polarisable. Les diamants synthétiques contenant des centres NV (azote-lacune) apparaissent comme des candidats idéaux car ils permettent de réaliser cette opération sous illumination laser à température ambiante. Ces polarisations de spin pourraient alors être transférées du diamant vers un autre matériau, ce qui offrirait une méthode générale pour augmenter la sensibilité RMN. Ce projet vise à surmonter ce défi en combinant une nouvelle instrumentation et la synthèse de diamants optimisés pour maximiser la polarisation de spin et étudier son transfert vers l’extérieur.

Le projet Multicross a pour but d’amener la compréhension de la photo-physique des métaux de transition à un nouveau niveau de détails grâce à un programme couplant de la recherche expérimentale et théorique incluant 3 laboratoires basés sur 2 pays. Les techniques de spectroscopies ultrarapides de rayon-X et d’optiques vont être amenées à des résolutions temporelles approchant les 10fs. Nous allons utiliser des modèles quantiques complexes qui seront utilisés pour résoudre l’équation de Schrödinger dépendante du temps dans le but de suivre l’évolution des paquets d’ondes photo-excités et leurs dispersions le long des différentes trajectoires d’état excités qui seront contrôlés par les différentes excitations laser. Si ce modèle est à même d’expliquer toutes nos observations expérimentales, il sera alors une représentation robuste qui pourra être utilisée pour clarifier les mécanismes se cachant derrière les propriétés usuelles observées lors des croisement inter-systèmes ultrarapides ayant lieu dans les complexes à métaux de transition. En effet, les métaux de transition jouent un rôle central dans l’élaboration de photorécepteurs, la catalyse et ils sont présents sur les sites actifs biologique. Cela est dû à leur capacité à changer leur niveau d’oxydation (favorisant des transferts de charge). Un exemple type est la famille des complexes organométalliques. Les ligands organiques entourant le centre métallique lèvent la dégénérescence des orbitales 3d résultant couramment en orbitales moléculaires liantes et anti-liantes séparées par un gap en énergie. Ce gap induit la possibilité de créer différents états électroniques et structuraux qui peuvent être stabilisé par des contributions enthalpique (Bas Spin, BS) ou entropique (Haut Spin, HS). L’état Haut Spin correspond à la population des orbitales anti-liantes. La transition de spin de l’état BS à l’état HS peut être photo-induite via une excitation électronique correspondant à un transfert de charge entre le métal et le ligand (MLCT). Beaucoup d’expériences ont essayé de comprendre les différents chemins suivis par le système après la population initiale de cet état à transfert de charge. Il en a été conclu que les croisement inter-systèmes présentaient une efficacité quantique très élevée. Ces résultats sont à l’origine d’une vaste série d’investigations à la fois théorique et expérimentale pour améliorer notre compréhension de la photo-commutation de l’état BS vers l’état HS qui a lieu en moins d’une picoseconde . De nos jours, alors que la nature ultrarapide de cette photo-commutation n’est plus à débattre, une compréhension avancée de ce processus est toujours manquante. En effet, il existe encore actuellement de fortes contradictions entre des résultats récents qui suggèrent des mécanismes physiques complètement différents. Pour des systèmes plus complexes s’éloignant de la géométrie octaédrique, la compréhension de ce processus est encore moins claire et très peu d’expériences ont exploré ce type de systèmes. Le projet Multicross projette de travailler sur ces différents systèmes pour obtenir une compréhension détaillée de ces processus mettant en jeu des phénomènes structuraux et électroniques sur des échelles de temps ultra-rapide.

Les polyamides (PA) sont des matériaux très utilisés. En effet, les liaisons hydrogènes intermoléculaires dues aux fonctions amides leurs confèrent des propriétés exceptionnelles (très bonnes propriétés mécaniques, flexibilité et de durabilité). Les PA sont généralement préparés par polycondensation ou par polymérisation anionique par ouverture de cycle, procédés compatibles avec peu de monomères et nécessitant des conditions expérimentales drastiques. Avec leur gamme Rilsan@ et Pebax@, ARKEMA est le leader mondial des polyamides de spécialité. Ces matériaux sont utilisés dans les textiles, l’automobile, l’électronique, le sport, etc. Même si ces matériaux sont reconnus pour leurs excellentes performances dans les applications les plus exigeantes, certaines limitations restent présentes et représentent une possibilité d’innovation dans le domaine des polyamides de spécialité. Le but de ce projet est de proposer une nouvelle méthodologie de préparation de PA via la (co)polymérisation radicalaire par ouverture de cycle des 1,3-oxaza-cetene hétérocycliques appelés O,N-acétals de cétène cycliques avec des monomères vinyliques usuels. Cela permettra d’introduire des liaisons amides dans le squelette du polymère pour créer des interactions inter-chaines) ou pour préparer des PA fonctionnels. Quatre applications ont été particulièrement visées. En particulier, l’introduction de groupements fonctionnels qui vont apporter soit des meilleures propriétés d’adhésion (monomères contenant des atomes de silicium, phosphore ou soufre), soit des propriété d’ignifugation (monomères contenant des atomes de phosphore), soit un contrôle de l’hydrophilie/hydrophobie (monomères polaires ou hydrophobes) ou encore de la souplesse (monomères portant des longues chaines alkyle) sera étudié. Une attention spéciale sera portée à la préparation de vitrimères de polyamide. L’intérêt des O,N-acétals de cétène cycliques est aussi lié à l’incorporation d’une petite quantité de fonctions amide dans le squelette du polymère. Ces groupes peuvent être vus comme induisant des liaisons hydrogène intermoléculaires et donc produisant des interactions entre les chaines de polymères, améliorant ainsi les propriétés thermiques et la résistance chimique de ces matériaux. La copolymérisation de monomères vinyliques classiques avec une faible quantité d’O,N-CKA devrait conduire à la préparation de matériaux se comportant de manière similaire au PEBAX@ mais avec une plus grande palette de propriétés (résistance à la rayure, meilleure stabilité thermique, etc.). En conclusion, la combinaison des propriétés exceptionnelles des PA avec les avantages de la polymérisation radicalaire va conduire au développement de matériaux innovants, utilisables dans de nombreuses applications industrielles.

L'objectif principal du projet Digital-LbL sera d’étudier une approche simple pour organiser spatialement de la matière codée synthétique ; un sujet important qui n’a quasiment été étudié à ce jour. Pour ce faire, des films multicouches contenant des strates successives de polymères numériques seront préparés et caractérisés. En particulier, des poly(phosphodiester)s codés seront synthétisés et utilisés comme polyanions pour la fabrication de multicouches de polyélectrolytes. Jean-François Lutz sera le coordinateur du projet et sera en charge de la conception et de la synthèse des polymères numériques. Les poly(phosphodiester)s codés seront synthétisés par chimie de phosphoramidite automatisée en phase solide. Dans ce projet, différents « alphabets » de monomères seront conçus et testés pour la synthèse des polymères numériques. En particulier, des alphabets augmentés (contenant par exemple quatre monomères codés), permettant d’écrire une grande quantité d’information binaire sur des séquences assez courtes, seront développés. Chaque poly(phosphodiester) contiendra au minimum 10 octets d'information numérique. Ainsi, l'utilisation de bibliothèques de polyanions devrait permettre de construire des films, structurés en 3D, contenant entre 100 et 1000 octets de données. Pour fabriquer les matériaux multicouches, les polyanions numériques seront alternés avec des polycations non-codés utilisés comme « ciment » intermédiaire. La construction des multicouches sera étudiée par l’équipe de Gero Decher, qui est le pionnier de cette technologie. Différents polycations commerciaux tels que le poly(hydrochlorure d’allylamine) et le poly(chlorure de diallyldiméthyl-ammonium) seront testés dans ce projet. Afin d’éviter la migration d’une strate codée vers une couche supérieure ou inférieure, il sera important de sélectionner des polyélectrolytes adéquats et d’éviter une croissance exponentielle des couches. De plus, la distance entre deux strates codées pourra être ajustée à l’aide de couches intermédiaires non codées, par exemple en utilisant le polystyrène sulfonate de sodium comme polyanion intermédiaire. Des résultats préliminaires obtenus et publiés fin 2018 ont confirmé que les objectifs de ce projet sont réalistes. Les films multicouches formés seront caractérisés par différentes techniques telles que l’éllipsométrie, la microbalance à quartz ou la microscopie à force atomique. En particulier, la morphologie des films sera examinée afin d’identifier de possibles défauts et de vérifier que les couches codées sont parfaitement isolées les unes des autres. De plus, la méthode de désorption par electrospray sera étudiée pour séquencer successivement les différentes couches codées par spectrométrie de masse. Cette partie du projet est particulièrement risquée mais sera étudiée par Laurence Charles qui est une experte du séquençage des polymères codés. Grâce à l’analyse de films modèles (contenant une ou deux couches codées seulement), des conditions optimales (par exemple la distance optimale entre les couches codées) seront identifiées pour effectuer un séquençage séquentiel en profondeur.

L'impression 3D a considérablement facilité la fabrication de dispositifs (objets) complexes par leur forme et sophistiqués par leurs propriétés dans divers domaines de recherche fondamentaux en termes de coût, de temps et d'accessibilité. Les imprimantes 3D peuvent fabriquer des objets dont la taille varie de quelques microns avec la stéréolithographie à deux photons (TPS) au centimètre. Dans le domaine des circuits micro-fluidiques, la facilité de mise en œuvre et la commodité de l'impression 3D de structures complexes conçues numériquement (CAO 3D) font concurrence aux techniques et méthodes couramment utilisées en Soft-Lithographie. L'impression 3D permet la fabrication directe et rapide de puces micro-fluidiques en s’affranchissant de ces méthodes lourdes à mettre en oeuvre. Parmi toutes les technologies d'impression 3D, la stéréolithographie (SLA) a particulièrement attiré l'attention puisqu’elle est extrêmement précise et que des structures très fines (par exemple canaux de diamètre interne < 100 µm) peuvent être obtenues. Dans ce contexte, les polymères sont les matériaux de choix. Cependant, la principale limitation repose sur le fait que les propriétés du monomère choisi imposent la chimie de surface de l'objet envisagé. Si sur le plan technologique, la résolution et la rapidité d’écriture ont nettement été améliorées, la diversité chimique de la surface de l’objet ainsi que la structuration de cette diversité, sont peu explorées. A ce jour, il n’est pas encore possible de modifier la chimie des surfaces d’une manière simple à partir d’imprimantes 3D, autres que par des traitements de post-fabrication qui bien qu’efficaces sont lourds à mettre en œuvre. Cela devient même un « casse-tête » insoluble quand ces modifications chimiques de surface doivent être localisées en des endroits bien précis de l’objet. Le projet 3D-CustomSurf vise à développer de nouveaux photo-amorceurs uniques par leurs propriétés et à développer de nouvelles méthodologies dans les techniques de fabrication additive 3DP-UV (mm-cm) et TPS (µm). Notre approche repose sur l'utilisation de techniques de photo-polymérisation radicalaire contrôlées (photo-RDRP, en particulier la NMP2) adaptées aux conditions spécifiques de la fabrication 3D pour la fabrication de circuit micro-fluidiques. Notre stratégie sera un atout pour modifier facilement et à façon la chimie de la surface interne de canaux d’un circuit micro-fluidique dédié à la fabrication de microémulsion, aujourd’hui limitée par de nombreuses étapes de post fabrication. Notre stratégie repose sur i) le design et la synthèse d'alcoxyamines photosensibles (photo-amorceurs, NMP2) uniques, portant des chromophores spécifiques pour la fabrication 3DP-UV et TPS ii) une étude de leurs propriétés photo-physiques et chimiques iii) une étude approfondie de leur efficacité pour une première polymérisation et une repolymérisation (polymérisation vivante) dans un contexte d’écriture laser (3DP-UV, TPS) iv) la mise en place de méthodes pour une première polymérisation (3DP-UV) suivie d'une fonctionnalisation de la surface interne (chimique et structuration) par TPS de prototypes simples tels que des tubes v) la fabrication d’un dispositif micro-fluidique dédié à la fabrication d’une micro double émulsion et dont la chimie de la surface des canaux est modifiée pour répondre à la vocation particulière de ce dispositif. Associer l'écriture laser aux méthodologies RDRP est une nouvelle approche peu explorée, notamment dans la stéréolithographie 2 photons (TPS). Cette nouveauté et surtout l’absence d’études approfondies sur les phénomènes chimiques et physiques impliqués au cours du processus de fabrication 3D explique l’absence d’une telle approche. La NMP2 couplée aux techniques d’impression laser permet de considérer l'objet d'une part et la modification de sa surface (chimie et structuration) d'autre part dans un protocole d'une grande simplicité.

Pendant la dernière décennie, la photopolymérisation a été témoin d’intenses efforts en recherche liés à la constante progression des applications industrielles associées à la synthèse de nouveaux photoamorceurs et monomères. Cependant cette technique est limitée à la polymérisation de films minces. Au contraire, les systèmes d’amorçage redox (2 cartouches) peuvent être utilisés efficacement pour une polymérisation de films épais mais leur sensibilité à l’oxygène et leur instabilité/toxicité affecte de façon négative leur utilisation. Le consortium impliqué dans ce projet a proposé très récemment un nouveau mécanisme chimique appelé AMILB (pour Acétylacétonates de Métal – Interaction avec un Ligand Bidenté), en accord avec la soumission de ce projet dans le Domaine 2-Axe 3. Dans cette approche, de nouveaux systèmes d’amorçage redox, basés sur des complexes métalliques comprenant un agent oxydant remarquablement stable, sont capables de libérer un radical acac par échange de ligands avec un changement de degré d’oxydation du métal. Le développement de systèmes amorceurs redox haute performance sans amine et sans peroxyde est maintenant possible grâce au nouveau procédé AMILB qui peut surmonter les problèmes rencontrés actuellement dans les systèmes redox et photochimiques. Des systèmes chimiques purement organiques sans peroxyde vont également être proposés dans ce projet. Il est également attendu de pouvoir activer ces systèmes chimiques par la lumière (polymérisation redox photoactivée). Sur la base de résultats préliminaires pour ce projet, nous proposons d’étudier et d’approfondir i) les relations structure chimique/réactivité pour les nouveaux systèmes d’amorçage redox AMILB et leur efficacité en polymérisation (conversion, vitesse de polymérisation, gamme de monomères accessibles) ; ii) la possibilité d’activer par la lumière le procédé AMILB pour un accès unique à des systèmes « dual cure » (polymérisation très originale selon deux modes : redox et photochimique), iii) le développement d’approches purement organiques sans peroxyde et sans métal et iv) l’applicabilité de ces systèmes redox photoactivés avec des monomères biosourcés (Tâche 3) et pour des applications industrielles (Tâche 4). En fin de compte, les nouvelles approches d’amorçage de polymérisation radicalaire proposées ici vont potentiellement permettre de surpasser l’ensemble des systèmes utilisés en redox et en photopolymérisation. En effet, l’agent d’oxydation (acétylacétonates de métal) est stable, le ligand bidenté est stable, des échantillons épais (et chargés) peuvent être polymérisés et la photoactivation permet d’améliorer la polymérisation en surface ainsi que les vitesses de polymérisation. Etant donné le grand potentiel de ces nouveaux mécanismes d’amorçage sans peroxyde, ce projet est soumis en PRCE car i) une meilleure compréhension des facteurs gouvernant la réactivité et les mécanismes réactionnels primaires est vraiment nécessaire et ii) l’approche purement organique sans peroxyde doit être développée. Dans ce contexte, le partenaire industriel (P4) a récemment développé une nouvelle gamme de résines méthacryliques thermoplastiques liquides (www.elium-composites.com) pour la fabrication de composites renforcés par des fibres en arrangement continu (CRFC). Le développement d’un système d’amorçage redox (photoactivé) sans peroxyde sera la nouvelle génération de CRFC. De même, la photopolymérisation dans le procédé de fabrication des composites permettra un meilleur contrôle avec une activation à la demande de la polymérisation ainsi qu’une polymérisation très rapide.

La résonance magnétique nucléaire du solide est une technique spectroscopique non destructive, reconnue dans de nombreux domaines, qui permet l’acquisition d’informations au niveau atomique pour une large gamme de matériaux. Sa principale limitation est sa faible sensibilité. La polarisation dynamique nucléaire (PDN) permet de surmonter cette difficulté en augmentant l’aimantation nucléaire par un transfert de polarisation de l’électron vers le noyau, grâce à des centres paramagnétiques exogènes appelés agents de polarisation (AP). Malheureusement, dans la plupart des cas, les AP connus présentent des performances éloignées des maxima théoriques. Ce projet a pour but d’introduire un nouveau paradigme dans la conception d’AP en exploitant l’exceptionnelle augmentation de la durée de vie de radicaux transitoires encapsulés dans des silices nanostructurées. Ces nouveaux matériaux sont des outils de choix pour étudier la PDN aussi bien d’un point de vue théorique qu’expérimental.

La contamination des environnements aquatiques par les métaux lourds est un problème majeur dans la communauté scientifique et pour des problèmes sociétaux. Parmi ces métaux lourds, le plomb, le cadmium et le mercure ont reçu le plus d’attention à cause de leur toxicité. Les organismes de régulation ont strictement défini les concentrations limites de ces trois métaux lourds dans différents types d’eau, notamment les eaux potables et les eaux de surface. Les dispositifs portables et mobiles seraient donc des outils précieux pour l’analyse sur site de ces métaux, permettant une évaluation rapide de la contamination d’une eau. L’objectif du projet proposé est de développer un dispositif analytique pour le plomb, le cadmium et le mercure (concentrations des ions libres et complexés à la matière organique), qui sera développé comme outil potentiellement portable et adapté à des applications sur site (développement jusqu’au TRL 4, validation en laboratoire). Une sélectivité et une sensibilité élevées seront requises pour permettre l’analyse des échantillons visés avec des limites de quantification inférieures à 1 µg L-1 et de faibles interférences (<5%) des autres cations et des composés naturels. Plusieurs innovations vont permettre d’atteindre les caractéristiques désirées : La sélectivité et la sensibilité proviendront principalement du développement de fluoroionophores portant des groupes donneurs d’électrons spécifiques pour fournir une excellente affinité pour les métaux lourds. La synthèse de trois fluoroionophores sélectifs (un pour chaque métal) basés sur la même partie fluorogénique (afin d’avoir un système de détection optique commun aux trois métaux) sera le principal challenge de cette partie du travail. Les sondes fluorescentes seront greffées sur une unité microfluidique imprimée en 3D, qui sera utilisée comme module de préconcentration afin d’améliorer la sensibilité de la détection fluorescente conventionnelle en phase liquide. L’obstacle scientifique actuel pour la lecture directe de fluorescence sur une surface solide imprimée en 3D réside dans la fluorescence très élevée des résines d’impression 3D commerciales, due à la composition de la résine. La formulation de résines photosensibles avec une faible fluorescence et un potentiel pour le greffage de capteurs moléculaires sera nécessaire, afin d’imprimer ensuite des unités de préconcentration avec des propriétés de fluorescence adéquates (après greffage des sondes). La détection et la quantification de la fluorescence générée par la présence des cations métalliques sera ensuite effectuée grâce aux capteurs inclus dans les smartphones. Les smartphones sont en effet portable, facilement accessibles, abordables, faciles d’utilisation, et donc bien adaptés pour servir de plateforme pour la détection sur site. Le dispositif optique visé utilisera la caméra d’un smartphone pour la mesure de la lumière, ainsi qu’une application dédiée et spécialement développé pour la quantification. Finalement, la détermination sur site des concentrations globales des métaux (comprenant les ions complexés à la matière organique) sera effectuée par le développement d’un module micro fluidique de photo-oxydation portable, qui sera utilisé pour prétraiter l’échantillon avant analyse avec le dispositif décrit précédemment. Le challenge scientifique de cette tâche sera de développer un module portable avec une alimentation basse tension (12-24V) mais suffisamment puissant pour casser la matière organique en un temps raisonnable. Le produit final comprendra les modules de préconcentration imprimés en 3D et greffés avec les sondes fluorescentes, le système optique pour la détection par smartphone, le module de photo-oxydation portable et un ensemble de pompes péristaltiques miniatures (pour la propulsion des fluides) contrôlés par une interface électronique portable. Tous ces composants seront intégrés ensemble pour fournir un prototype de laboratoire qui sera validé sur échantillons réels.

Parmi les différentes classes de polymères, les polymères vinyliques sont utilisés dans une gamme d'applications de plus en plus large, notamment en tant que biomatériaux pour lesquels la dégradabilité est une caractéristique critique. Le développement de polymères (bio)dégradables fait l'objet d'une grande attention compte tenu de leur utilisation intensive dans de nombreux domaines ((nano)médecine, microélectronique, protection de l'environnement). Profitant de voies de synthèse simples à mettre œuvre, différentes stratégies ont été développées pour conférer aux polymères vinyliques un caractère dégradable. La stratégie la plus simple consiste à utiliser un agent de réticulation dégradable. Le réseau polymère résultant peut être dégradé en fragments de masses molaires plus faibles par clivage de l'agent de réticulation. D'autres stratégies peuvent donner accès à des chaînes linéaires dégradables. Elles sont basées sur la condensation de petites molécules ou d'oligomères dégradables. Cependant, ces stratégies nécessitent des chimies multi-étapes limitant leur large utilisation. Ainsi, un très grand nombre de matériaux biodégradables disponibles dans le commerce pour des applications médicales et non médicales est basé sur des polyesters aliphatiques, pour lesquels les groupes ester peuvent être clivés dans des conditions hydrolytiques ou en présence d'enzymes spécifiques (estérases). Les polyesters sont obtenus par (co)polymérisation de glycolides, de lactides, de l'epsilon-caprolactone et/ou de leurs dérivés. Tandis que les polymères vinyliques peuvent être facilement obtenus par polymérisation radicalaire, les polyesters sont principalement obtenus par polymérisation par ouverture de cycle ou par polycondensation, techniques qui ne sont pas facilement compatibles avec la préparation de particules polymères en phase aqueuse. Par conséquent, les particules de polyester dégradables qui sont d'une importance primordiale dans les domaines liés à la biologie (sutures résorbables, reconstructions tissulaires, systèmes de délivrance de principes actifs) sont presque exclusivement obtenues par émulsification de polymères préformés (nanoprécipitation, émulsion par évaporation de solvant). Cependant, des dispersions présentant de très faibles taux de solides sont obtenues (1-5% en poids), ce qui représente une limitation majeure en termes d'utilisation et de développement industriel. Par conséquent, il existe un besoin fondamental et industriel de développer de nouvelles stratégies de synthèse de particules dégradables de type polyester permettant de lever les limitations des systèmes actuels et mentionnées plus haut. Des polyesters ou des polymères vinyliques contenant des motifs ester intra-chaîne peuvent par ailleurs être obtenus par une (co)polymérisation radicalaire de cétène acétal cyclique (CKA), une classe de monomères pouvant subir une (co)polymérisation par ouverture de cycle radicalaire (rRO(co)P). La nature radicalaire de la rROP ouvre la voie à sa transposition en milieu dispersé, procédé industriel privilégié pour produire des dispersions de particules de polymères vinyliques à haut taux de solides, en particulier dans l'eau. Ceci est cependant associé à de réels défis liés à la stabilité hydrolytique des CKAs. Le but du projet CKAPART est de développer des stratégies innovantes pour préparer des copolymères vinyliques dégradables en milieux dispersés en produisant des particules de type polyester. Pour relever ce défi, une gamme de nouveaux CKA hydrophiles, hydrophobes ou fonctionnels seront synthétisés et évalués dans des polymérisations en miniémulsion ou en émulsion ensemencée. CKAPART veut en outre évaluer la dégradabilité et le potentiel des particules dispersées dans l'eau pour la formation de nano-véhicules pour des applications de délivrance de principes actifs et d'imagerie.

Ce programme de recherche est basé sur le développement de nouvelles méthodes et leurs applications à la synthèse d’échafaudages moléculaires complexes. Notre approche repose sur l'innovation synthétique et répond au critère d’économie d’étapes pour accéder à la diversité moléculaire. Notre but est non seulement d’incrémenter la « boîte à outils » à disposition du chimiste organicien de synthèse, mais également de fournir des polymères semi-conducteurs (composés pertinents pour l'industrie des nouveaux matériaux). Nous proposons d’utiliser l’expertise des deux partenaires pour développer i) une nouvelle approche aux benzocyclobutènes (BCB) à partir de cyclopropanes donneurs-accepteurs inédits, et ii) d'utiliser ces BCBs dans un procédé de polymérisation radicalaire contrôlée. Une étape supplémentaire devrait ensuite fournir un système pi-conjugué offrant des propriétés semi-conductrices. Les retombées d’une telle proposition sont donc attendues en chimie fine et en science des matériaux.

Le projet AMPLI vise à répondre à une double question importante en catalyse énantiosélective moderne : 1) comment sélectionner rapidement un bon catalyseur parmi une librairie de molécules disponibles, en minimisant les études expérimentales d’optimisation qui peuvent s’avérer fastidieuses ? 2) comment à partir de ce catalyseur (bon mais pas excellent) obtenir des résultats excellents en terme d’énantiosélectivité ? Le projet AMPLI propose de répondre à ce questionnement en conjuguant l’analyse par spectrométrie de masse du comportement de catalyseurs chiraux via une approche combinatoire, avec une stratégie employant les effets d’amplification de type Horeau afin d’obtenir de meilleures énantiosélectivités. Le travail décrit est divisé en trois tâches : - Un criblage de catalyseurs commerciaux ou aisément accessibles en s’appuyant sur une analyse par spectrométrie de masse haute résolution après ionisation electrospray qui peut être utilisée pour différencier des produits, ou des intermédiaires, quasi-énantiomères dans une approche combinatoire. L’objectif sera d’identifier les meilleurs catalyseurs, ainsi que les conditions expérimentales associées, pour le transfert d’acyle organocatalysé sur des substrats monofonctionnels. - L’utilisation des catalyseurs sélectionnés sur des substrats bi fonctionnels tels que des diols, des diesters et des aminoalcools dans des réactions similaires. Dans tous les cas, l’effet Horeau sera exploité pour obtenir les meilleurs excès énantiomériques. L’application, de ces réactions, à la synthèse de molécules bioactives d’intérêt pharmaceutique est également prévue. - La mise au point, sur la base des résultats précédents, d’un processus multicatalytique énantioconvergent dynamique amplifié qui permette, grâce à une épimérisation catalytique et une acylation énantiosélective de préparer un énantiomère unique à partir d’un mélange de diastéréomères d’un composé donné.

Le projet vise à amorcer la structuration d'une communauté européenne académique et industrielle en IRM moléculaire de pré-polarisation pour mieux comprendre les systèmes vivants, améliorer le diagnostic, le pronostic et le traitement de certaines maladies. La cartographie de l'activité d'une enzyme spécifique dans une lésion pour en évaluer la gravité ou pour suivre l'efficacité d'un traitement est l'objectif principal du le projet Primo Gaia. L'originalité de la méthode provient de l'utilisation du phénomène de pré-polarisation (dynamique, magnétique) pour la génération du signal et du contraste des images. A contre courant des développements actuels qui privilégient l'augmentation de l'intensité des aimants, nous projetons d'acquérir les images dans un champ magnétique très faible (<10 mT) et idéalement dans le champ magnétique terrestre (46 µT ) qui présente l'avantage d'être homogène, disponible et gratuit. Une expérience de RMN se déroule en trois étapes successives : 1) la polarisation de l'échantillon dans le champ magnétique, 2) l’excitation par application d'une onde électromagnétique et 3) la relaxation pendant laquelle on enregistre le signal. Dans les imageurs cliniques, les trois étapes sont réalisées dans un même aimant intense. Il est i admis que la qualité des images anatomiques est meilleure quand on utilise des champs magnétiques intenses par augmentation du rapport signal sur bruit. Pour l'imagerie de l'activité enzymatique, nous proposons de séparer l'étape de polarisation de celle de lecture du signal ( champ terrestre). La polarisation pourra être faite par l'application transitoire d'un champ magnétique intense et/ou par utilisation du phénomène de polarisation dynamique nucléaire. Ce phénomène fait appel à des agents de contraste radicalaires stables possédant un électron célibataire. En irradiant ce radical à la fréquence de résonance de l'électron, on réalise un transfert d'énergie du moment magnétique de l'électron vers celui du proton. On observe alors une augmentation très importante du signal RMN du proton. Une preuve de concept a été réalisée avec succès au Centre de Résonance Magnétique des Systèmes Biologiques à Bordeaux (CRMSB) dans un champ magnétique de 0,2T, en utilisant des radicaux de type nitroxide développés par l'ICR de Marseille. Le transfert d'énergie requiert alors une irradiation de l'électron à la fréquence de 5,4 GHz. Une cavité hyperfréquence à été construite pour générer cette onde. Le signal du proton a été multiplié par 50 000% in vitro et par 10 000% dans une souris vivante. Pour cartographier spécifiquement une activité enzymatique, les chercheurs du CRMSB ont inventé un mécanisme original de commutation du contraste en présence de l'activité ciblée. Ce mécanisme a fait l'objet d'un dépôt de brevet PCT et de la rédaction de publications. Pour la première fois, la cartographie de l'élastase pancréatique dans l'intestin d'une souris vivante a pu être réalisée sans échauffement de la température corporelle (<1°C). Les nitroxides utilisés n'ont par ailleurs par révélé de toxicité sur les expériences réalisées pendant plusieurs mois. Pour limiter le dépôt d'énergie et permettre l'exploration de tissus profonds, il est nécessaire de transférer cette expérience dans un champ très faible. L'impact du projet est très important. Sur le plan fondamental, il sera pour la première fois potentiellement possible d'accéder à une véritable enzymologie in vivo pour comprendre les équilibres complexes entre activation et inhibition enzymatique. Les radiologues et les cliniciens bénéficieront d'un outil de choix pour ajuster au mieux les traitements aux modulations métaboliques des patients. La méthode permettra aussi à l'industrie pharmaceutique de vérifier précocement l'efficacité d'une molécule et de suivre ses étapes de métabolisation. L'utilisation d'un champ magnétique faible permettra diffusion du projet à de nouveaux environnements (humanitaire, militaire).

De nombreuses études ont montré un lien entre pics de pollution atmosphérique et mortalité chez l’homme en favorisant les maladies cardiovasculaires et pulmonaires. Si les multiples conséquences d’une intoxication aigüe due aux pesticides, particules de carbone ou dérivés métalliques sont bien connues, les effets plus subtils à long terme causés par la pollution atmosphérique sont plus difficiles à évaluer. Des études épidémiologiques récentes suggèrent un lien possible entre l’exposition aux pesticides et le diabète de type 2. Ainsi, l’ingestion d’aliments contaminés par des pesticides est associée à une mauvaise régulation du glucose, une perturbation endocrinienne et à l’obésité. Cependant, concernant les pesticides contenus dans des aérosols de particules aériennes, le manque de modèles expérimentaux fiables ne permet pas de conclure quant au lien entre l’inhalation passive de ces faibles taux de pesticides et l’incidence de la résistance à l'insuline et de la progression du diabète. Les particules ultrafines de diamètre inférieur à 2,5 µm, sont des constituants très actifs des atmosphères urbaines, pratiquement non éliminables. Elles sont responsables de nombreuses pathologies (inflammation, dysfonctionnement endothélial et mitochondrial, troubles cardiaques) car leur taille permet une pénétration profonde dans les bronches. Au niveau moléculaire, elles favorisent les dommages induits par le stress oxydant, provoquant génotoxicité et oxydation des protéines. Les particules volatiles, lipophiles et les cations métalliques s'accumulent dans la mitochondrie et déclenchent des cycles redox nocifs pour le système cardiorespiratoire. Depuis 20 ans, notre laboratoire participe à l'étude des divers aspects des effets pathophysiologiques du stress oxydant in vivo, depuis la conception de sondes moléculaires spécifiques et de procédures analytiques, à leur utilisation dans des études in vivo et des essais cliniques. Dans le cadre de MITODIAPM, à l’interface de la chimie, biologie, environnement et santé, Sophie Thétiot-Laurent développera un nouvel axe en créant un groupe au sein de l’ICR-SMBSO, avec la collaboration des membres de l’équipe. Ensemble, ils étudieront les effets chroniques de faibles niveaux d’aérosols de pesticides sur le dysfonctionnement mitochondrial et cardiaque, le stress oxydant, et les troubles métaboliques (insuline, glucose, lipides...) et inflammatoires chez l’animal. Ce projet sera centré sur: i) un dispositif unique d'exposition, récemment développé par le laboratoire, adapté au modèle animal et capable de générer des aérosols de particules (= 1 µm) de concentrations contrôlées. Il permet une exposition à des atmosphères réalistes de polluants (1-20 ng/m3). ii) la RPE à basse fréquence (bande-L). La combinaison de cette spectroscopie, présente à l’ICR-SMBSO, et d’une série de nouvelles sondes vectorisées définira un nouvel axe dédié au contrôle du statut redox et des changements de pH in vivo. Pour résumer, de nouvelles sondes mitochondriales seront conçues et appliquées pour évaluer le stress oxydant par RPE, en parallèle d’études métaboliques et hémodynamiques. Le programme de ce projet en 2 ans s’articulera ainsi: 1-design (ciblage subcellulaire, ajustement du pKa, faible toxicité), synthèse et application (passage in vitro - in vivo) de sondes présentant des signatures spectroscopiques spécifiques pour étudier le dysfonctionnement mitochondrial induit par la pollution in vivo, 2-exposition chronique de groupes de rats et souris (C57/BL6J) à des atmosphères contrôlées (taille, composition et concentration) de pesticides représentatifs (2 h/j, 1-6 mois), 3-recherche chez l’animal d’un impact mesurable de l’inhalation de pesticides sur l’évolution des symptômes et caractéristiques pathologiques des troubles cardiométaboliques et inflammatoires. Cette étape inclura de nouvelles techniques analytiques et sondes moléculaires pour étudier le stress oxydant et l’inflammation systémique en temps réel.

Les principaux avantages de réseaux polymères interpénétrés (IPNs) est de combiner dans un seul matériau les propriétés de deux réseaux polymères (polymérisation cationique (PCa) et radicalaire(PR)). En mettant l'accent sur des questions environnementales (ressources, énergie…), la photopolymérisation sera utilisée pour synthétiser les IPNs. Comme la prochaine génération de photoamorceurs de polymérisation fonctionnera avec de la lumière visible (gain d’énergie et plus de sécurité qu’avec l’UV), VISICAT va donc proposer de nouveaux catalyseurs photoredox (PC) qui absorbera la lumière visible et qui conduira à un amorçage très efficace de la réaction de photopolymérisation, en cationique et en radicalaire. Les principaux avantages des PC sont : 1) les petites quantités de produit utilisées (utile pour les problèmes de toxicité et de migration), 2) leur grande efficacité (faible intensité,lumière visible) et 3) leur versatilité (amorçage à la fois de PCa et de PR). Dans ce projet, des molécules avec des états excités singulet ayant de longue durée de vie et absorbant dans le visible vont être utilisées comme PC afin d’améliorer sensiblement la réactivité avec le coamorceur redox. Des résultats préliminaires récents ont montrés la validité de cette stratégie (non publiés). L'objectif final du projet étant la création d’IPNs avec des propriétés mécaniques ajustables fabriqués par un procédé de synthèse innovant sous lumière visible. Aucune publication n’existe sur les PCs proposés ici en tant que photoamorceur de polymérisation radicalaire ou cationique. De nombreux monomères vont de ce fait être testés avec ces nouveaux systèmes photoamorceur (SPA)et les propriétés mécaniques des polymères formés(aspect collant de la surface, retrait, température de transition vitreuse, resistance à l’abrasion, module de Young, couleur finale…) vont être étudiées en détails pour évaluer les avantages obtenus grâce à la formation d’IPNs par rapport à des polymères classiques (obtenus par PCa ou PR).La dernière année du projet va être principalement dédiée à l’applicabilité du projet avec une optimisation des voies de synthèse pour les meilleurs PC avec le but de réduire les coûts de production et/ou d’améliorer les rendements de synthèse. En parallèle, une évaluation des conditions expérimentales utilisées dans de nombreuses applications finales (présence de charges, pigments, eau…) sera menée en collaboration avec un office de transfert technologique (OTT) pour évaluer les marchés susceptibles d’être intéressés par ces nouveaux PC fonctionnant sous lumière visible. A la fin de l’ANR, l’objectif est de breveter les meilleurs systèmes avec l’OTT afin de les proposer aux secteurs industriels visés. Vu l’originalité de l’approche de ce projet, des publications dans de journaux à fort facteur d’impact sont attendues. Pour conclure, ce projet ambitieux associe les expertises complémentaires de deux groupes de recherche académiques de renommé internationale dans le domaine de la chimie organique, de la photochimie, de la chimie des polymères et de la photopolymérisation. Le développement de résine avec une réactivité exceptionnelle pour la synthèse d’IPN sous lumière visible résultera donc de la forte synergie et complémentarité des deux partenaires.

Plasmodium est le parasite protozoaire responsable du paludisme, première cause de mortalité parasitaire dans le monde. Selon le rapport de l’OMS 2015 sur le paludisme, 214 millions de personnes ont été infectées par Plasmodium en 2014, ce qui a entraîné 438 000 décès, dont environ 88% en Afrique, principalement chez les enfants de moins de cinq ans. Parmi le genre Plasmodium, P. falciparum est l'agent causal du paludisme le plus sévère: le paludisme cérébral. Les thérapies combinées à base d'artemisinine, traitement de première ligne du paludisme par Plasmodium falciparum, font face à des échecs dus à des résistances, de sorte que de nouveaux traitements basés sur de nouvelles cibles du parasite sont nécessaires de toute urgence afin de contenir le risque de dispersion des résistances. Au cours des dernières années, parmi les nouvelles entités chimiques, qui ont démontré des propriétés antiplasmodiales prometteuses, des dérivés originaux de la quinazoline ont été identifiés. Jusqu'à présent, l'étude préliminaire de leur activité biologique in vitro ne permettait pas d'élucider leur mécanisme d'action, différent des antipaludiques actuellement commercialisés (à savoir le blocage de la désintoxication par l'hème, l'altération du potentiel de la membrane mitochondriale, la production de radicaux libres et l'inhibition de PfDHFR). Dans le but d’élucider le mécanisme d'action du composé quinazoline-hit, une approche par "Chromatographie d'affinité sur inhibiteur immobilisé" a été menée permettant l'identification préliminaire par spectroscopie de masse de deux enzymes essentielles parasitaire PfRab6 et PfPyrK1. Dans ce contexte, les objectifs du projet NINTARMAL sont 1) confirmer l'action des molécules hit sur les protéines cibles identifiées en évaluant leur comportement dans des tests biochimiques in vitro combinant les cibles plasmodiales recombinantes purifiées et les molécules initialement synthétisées; 2) synthétiser plusieurs nouvelles séries moléculaires originales dérivées de quinazolines antiplasmodiales préalablement identifiées; 3) en parallèle, pour effectuer le criblage des composés synthétisés correspondants et définir leur profil biologique pour guider les travaux de chimie, afin de découvrir et valider les succès in vitro les plus prometteurs contre P. falciparum; 4) une conception guidée de manière rationnelle des nouveaux candidats médicaments vis-à-vis de PfRab6 et PfPyrK1 sera assistée de chimio-informatique, de données de cristallographie, d'évaluations in vitro, d'études électrochimiques et pharmacocinétiques 5) des évaluations supplémentaires sur les isolats de terrain et des souches résistantes à l’artemisinine, la toxicité in vivo chez la souris dans le but d’ouvrir la voie aux évaluations expérimentale sur modèle de souris humanisée

Ce projet s'appuie sur un nouveau concept mettant en valeur les propriétés chimiques des espèces radicalaires pour lutter contre deux maladies parasitaires: le paludisme et la bilharziose. Notre projet est basé sur la préparation de pro-drogues stables (alkoxyamines utilisées comme radicaux dormants, R1R2NOR3) qui seront sélectivement complexées par le FeII-heme (adressage) libérées après la digestion de l'hémoglobine par le parasite. Cette coordination très sélective activera instantanément l'homolyse du complexe FeII-heme-alkoxyamine (activation) en générant des espèces radicalaires fortement réactives (médicaments): un radical nitroxyle (R1R2NO•) et un radical alkyle (•R3). Ces espèces instables causeront des désordres biologiques irréversibles via un mécanisme radicalaire jusqu'à la destruction du parasite. Ainsi, le point clé de ce projet est à la fois de générer des espèces radicalaires sélectivement en utilisant le métabolisme du parasite et d'utiliser la robustesse de la chimie radicalaire pour guérir les patients de ces deux maladies parasitaires. En conclusion, nous proposons d'élaborer et de développer une famille de médicaments permettant de lutter contre le paludisme et le schistosome, deux maladies majeures rencontrées dans les pays tropicaux.

La photo dissociation de l’eau représente un enjeu majeur dans le développement de sources d’énergie propre basées sur la formation d’hydrogène moléculaire. Le contrôle et l’optimisation de cette réaction est l’un des objectifs essentiels pour les recherches sur les énergies renouvelables. Dissocier une molécule d’eau lors d’une réaction radicalaire photo induite dans des systèmes moléculaires organiques simples vient d’être prédit théoriquement et confirmé par des expériences préliminaires. Ces réactions radicalaires sont néanmoins différentes de celles normalement envisagées dans le processus de dissociation de l’eau puisqu’elles font intervenir un hydrogène et non un proton. C’est pour cette raison qu’elle représente un nouveau paradigme pour la production d’hydrogène moléculaire lors de la dissociation de l’eau. L’un des défis à relever est de comprendre, contrôler et diminuer le processus de recombinaison de l’hydrogène photo induit. Cette nouvelle réaction radicalaire doit maintenant être étudiée en détail. C’est l’enjeu du projet WSplit qui s’articule autour de techniques théoriques et expérimentales de pointes. Ce projet repose sur l’expertise de trois groupes de recherche, deux expérimentales et un théorique. Les nombreux moyens techniques complémentaires mis en œuvre, simulations numériques et expériences de spectroscopie laser résolues en temps et en énergie, offrent une opportunité unique d’étudier les processus physico-chimiques de cette réaction photo induite dans des agrégats moléculaires nanosolvatés. Les enjeux de ce projet sont : • De développer et d’utiliser des méthodes théoriques et expérimentales pour caractériser la dynamique de la réaction dans les agrégats de pyridine hydratés dont la stœchiométrie est connue et contrôlée. • D’utiliser ces premiers résultats pour comprendre et contrôler la recombinaison de l’hydrogène photo produit. • De rechercher de nouveaux chromophores moléculaires capables de générer cette réaction radicalaire. Le choix des systèmes étudiés est basé sur les résultats préliminaires de travaux théoriques et expérimentaux. Les résultats expérimentaux nouveaux qui seront obtenus permettront une caractérisation précise en termes de structure et stœchiométrie des agrégats afin d’être directement comparés aux simulations théoriques. Les travaux théoriques portent sur deux parties : développements méthodologiques et simulations. Pour la partie méthode, un nouveau programme de dynamique moléculaire mixte quantique/classique, basé sur l’échantillonnage d’évènements rares et d’algorithme d’apprentissage, permettra de prendre en compte le passage par effet tunnel lors de la réaction. Cette méthode sera appliquée à l’étude des dynamiques non adiabatique dans les agrégats Pyk(H2O)n (k=1,2 ; n=1-3). Les travaux expérimentaux reposent aussi sur deux axes : étude spectroscopique des processus photo chimiques et dynamique résolue en temps. Les études résolues en temps permettront de suivre la dynamique de la réaction de photo dissociation de l’eau. La seconde tâche sera axée sur les études spectroscopiques pour caractériser le rôle du radical OH dans la réaction, pour contrôler la stabilisation de la liaison NH dans le radical pyridinique et de rechercher d’autres chromophores organiques susceptibles de déclencher la réaction de photo dissociation de l’eau. Le projet WSplit, d’une durée de trois ans, repose sur une recherche fondamentale. C’est une première étape essentielle dans l’optique de développer un programme de recherche ambitieux sur la production d’hydrogène moléculaire photo induite catalysée par des chromophores organiques. L’achèvement de ce projet de recherche fondamentale ouvrira la voie vers des recherches plus appliquées et offrira l’opportunité de répondre aux appels d’offre de la commission européenne « Future and Emerging Technologies », Horizon 2020.

Aujourd'hui et dans les années à venir, le développement des batteries à haute performance, sûre et à faible coût est la clé pour l'expansion des industries et des marchés importants tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables. La technologie de batterie au lithium-métal polymère (LMP) est sans doute la plus attrayante. Le lithium métal est l’anode de choix avec sa capacité spécifique 10 fois plus élevée que celle utilisée dans les batteries Li-ion, pour produire des batteries de très haute densité d’énergie. De plus, le lithium métal est le seul choix pour profiter des capacités élevées des positives des technologies lithium-air et lithium-soufre. Cependant, les électrolytes polymères secs ne fonctionnent qu’à 80°C, une température où les propriétés mécaniques sont insuffisantes et leur fenêtre de stabilité électrochimique est limitée. De plus, comme pour les électrolytes liquides, la fraction de charge portée par Li+ est faible (t+< 0.2), ce qui limite les performances électriques. Dans ce contexte, le principal objectif de notre projet est de développer une batterie LMP capable de fonctionner à température ambiante sur un grand nombre de cycles (> 1000). Pour atteindre cet objectif, nous proposons une approche multidisciplinaire réunissant différentes compétences dans les domaines de chimie organique et polymère, de matériaux hybrides, de transport des ions, d’électrochimie et de stockage électrochimique pour concevoir un électrolyte solide multifonctionnel « révolutionnaire ». Cet électrolyte réunit les différentes propriétés antagonistes telles que une conductivité ionique élevée à température ambiante, des propriétés mécaniques élevées, une grande stabilité électrochimique des interfaces. Le projet SELPHy est donc consacré à : • La fonctionnalisation de la surface des nanocharges (POSS, silice colloidale, nanofibres de cellulose) avec les courtes chaines de POE amorphe et/ou avec le sel de lithium à base de l’anion TFSI • La formulation des électrolytes hybrides auto-dopés par le mélange de nanocharges fonctionalisées avec une matrice conducteur d’ion Li+ (par exemple les polyoxyéthylène réticulé). • La caractérisation approfondie des électrolytes nanohybrides préparés qui comprend la dispersion des nanocharges dans la matrice de polymère, la dynamique (macro)moléculaire et les propriétés macroscopiques (transport et mécanique). Ces caractérisations permettent d’établir la relation entre la structure/composition et les propriétés macroscopiques. • La construction un prototype de batterie LMP pour quantifier les nouveaux électrolytes nanohybrides. Nous sommes totalement confiance que les électrolytes hybrides auto-dopés proposés auront : i) une valeur de tLi+ proche de 1 parce que l’anion est greffé de manière covalente aux nanocharges. Li+ est le seul ion mobile dans le milieu. ii) une conductivité ionique élevée (par exemple =10-4 S/cm à température ambiante) grâce aux mobilités élevées des chaines courtes de POE greffées à la surface de nanochrages ainsi qu’à l’emploi d’un sel lithium hautement dissocié. iii) des propriétés mécaniques suffisantes pour contrer la croissance dendritique grâce au rôle de renfort des nanocharges et au réseau réticulé de la matrice conducteur d’ion iv) une stabilité électrochimique élevée jusqu’à 5V vs Li+/Li (potentiel nécessaire pour utiliser les matériaux actifs de haut potentiel dans l’assemblage de la batterie) du fait du greffage de l’anion. v) une stabilité thermique améliorée pour la sécurité grâce à la présence de nanocharges, en particulier les POSS. SELPHy est un projet de recherche collaborative reposé sur un réseau interdisciplinaire de partenaires rassemblant des compétences dans les domaines de la chimie, physique et électrochimie.

Récemment, des agents réducteurs possédant une structure organique neutre et un potentiel redox exceptionnellement négatif ont reçu un regain d'intérêt grâce aux progrès de leur réactivité en chimie organique. Ces puissants donneurs d'électrons organiques (DEO) sont capables de transférer spontanément un ou deux électrons vers des substrats organiques dans des conditions réactionnelles douces et homogènes. Les DEO sont de sérieux rivaux aux réducteurs métalliques classiques trop agressifs et représentent donc une nouvelle source d'électrons réducteurs. Jusqu'à présent, ils ont été peu étudiés et les stratégies impliquant une étape de réduction initiée par des DEO ont été insuffisamment explorées malgré leur potentiel synthétique et leur modularité. Par conséquent, leur champ d'application reste assez restreint. Il est donc capital de maîtriser la chimie des réducteurs organiques et d'établir leurs champs d'application. Pour combler ces lacunes, ce projet de recherche vise d'abord à développer de nouvelles bibliothèques de donneurs d'électrons organiques capables d'aller au delà des limites actuelles. Les structures seront diversement fonctionnalisées et leur réactivité évaluée afin de mieux comprendre les facteurs qui régissent le transfert mono- ou bi-électronique, ainsi que le potentiel de réduction. La variété des donneurs obtenus fournira ainsi une base de données exceptionnelle pour étudier les relations structure moléculaire/réactivité. Le développement de précurseurs de DEO stables à l'air et de systèmes catalytiques rendront leur usage plus pratique et permettront des approches latentes et économiques en atome, des paramètres nécessaires pour les procédés industriels. La deuxième partie du projet sera consacrée à l'exploitation des DEO obtenus dans des réactions de réduction originales et à l'exploration de nouvelles applications. Une étude approfondie de leur aptitudes et de leur limites, ainsi que des mécanismes impliqués, permettra aux chimistes de se rendre mieux compte de leur utilité et élargira leur panel d'applications en chimie radicalaire. Ce projet s’inscrit également dans un contexte de développement de nouvelles méthodologies de réduction, alliant efficacité, modularité et sélectivité, et répondant aux critères de la chimie durable. En effet, les réactions de réduction sont beaucoup moins maîtrisées que les processus d'oxydation, plus largement utilisés pour la fabrication de nombreux objets du quotidien. Avec le déclin des sources fossiles, il est donc urgent de développer des voies alternatives pour accéder à ces composés fondamentaux. Une attention particulière sera accordée au domaine de la chimie des matériaux avec l'utilisation des DEO comme initiateurs de polymérisation. Récemment, nous avons démontré que les DEO initient une polymérisation simple, efficace à température ambiante, répondant aux normes industrielles de rentabilité, d'économie d'énergie et de sécurité. Leur haute tolérance à différents groupements fonctionnels les rend compatible avec la préparation d'une large gamme de polymères de grande importance industrielle. Les études de réactivité de nos nouvelles séries de DEO permettront d'étendre notre procédé à toute une nouvelle gamme de monomères dans des conditions douces, sans métal, et sans co-initiateurs. Pour améliorer ce procédé hautement innovant, une étude mécanistique complète aidera à i) comprendre les étapes d'amorçage et de propagation de chaîne et ii) préparer des structures de DEO optimisées. Cette application permettra d'illustrer le potentiel indéniable de ces réactifs polyvalents aux yeux de la communauté scientifique et industrielle. En terme d'avantages sociaux et économiques, le soutien financier de ce projet nous permettra de collecter les résultats décisifs pour atteindre le niveau de préparation technologique élevé (TRL) exigé par le programme européen de recherche Horizon 2020 et pour accéder à l'étape d'industrialisation de notre concept .

Les monocouches de réseaux polysémiques adsorbés sur des surfaces (SCOFs) constituent une nouvelle classe de matériaux poreux dont la périodicité structurelle et les paramètres de pores sont prédéterminés par leur squelette. A l’heure actuelle, la plupart de ces SCOFs sont obtenus par couplage d’Ullmann de composés aromatiques bromés ou par trimérisation d’acides boroniques, donnant naissance à des cycles boroxines. Si le sous-produit résultant de la première réaction est plutôt agressif (dégagement de Br2), la disponibilité des monomères pour la seconde famille de réaction est extrêmement limitée en raison de synthèse difficile. Dans ce projet, nous nous proposons de contourner ces deux problèmes en utilisant la réaction de Knoevenagel pour la formation des SCOFs. En effet, l’utilisation d’une telle réaction pour la formation de réseaux poreux sur surface est sans précédent dans la littérature. Les résultats préliminaires obtenus dans ce domaine ont démontré que notre monomère présentait une double réactivité. En effet, deux modes de couplage ont été identifiés, la discrimination entre ces deux réactions (couplage oxydatif, réaction de Knoevenagel) étant guidée par l’orientation cristallographique de la surface utilisée comme support pour effectuer la réaction. A la lumière de ces premiers résultats, nous nous proposons d’étudier plus précisément les mécanismes impliqués dans cette double réactivité afin de contrôler les modes de couplages mais également d’accéder à des réseaux covalents étendus présentant une fonctionnalisation interne. Les objectifs de ce projet sont triples : ) Premièrement, il consiste à développer de nouveaux monomères permettant d’optimiser l’avancement de la réaction, d’accéder à un meilleur contrôle de la phase supramoléculaire intermédiaire, mais également de réduire le nombre de défaut dans le réseau polymère. Deuxièmement, à mettre en évidence les différents type de liaisons formées et déterminer les mécanismes réactionnels mis en jeu lors des différents couplages. Pour cela, les propriétés vibrationnelles des polymères obtenus seront examinées par spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons à haute résolution (HREELS). Les propriétés électroniques seront également étudiées par spectroscopie de photoémission (XPS/UPS). 3) Troisièmement, le projet consiste également à introduire des fonctionnalités au sein du réseau, à étudier de nouvelles formes de polygones et à introduire des fonctions nitroxides, éléments clés pour la croissance de polymères dans la troisième dimension.

L’objectif principal du projet 00111001 est de développer des polymères synthétiques contenant des messages codés par leurs unités monomères. Cette propriété existe dans la nature puisque le message génétique est codé sur des chaînes d’ADN, mais n’a pas encore été recréée sur des polymères synthétiques. Dans le cadre de ce projet, un code moléculaire de type binaire sera formé sur des chaînes macromoléculaires non-naturelles à l’aide de monomères modèles définis arbitrairement comme bit-0 ou bit-1. En particulier, des polymères codés contenant des liaisons répétitives de type alcoxyamine seront préparés. En effet, les partenaires du projet ont récemment découvert que l’emploi de fonctions alcoxyamines présente de nombreux avantages : (i) la chimie des nitroxydes accélère et facilite la synthèse des polymères codés, (ii) les fonctions alcoxyamines simplifient le séquençage par spectrométrie de masse et (iii) les polymères formés sont dynamiques et leur séquences peuvent être éventuellement manipulées. Ces polymères seront préparés par voie itérative sur des supports solides ou solubles. En particulier, trois voies de synthèse seront étudiées dans ce projet pour la construction de polymères codés contenant des alcoxyamines tels que des poly(alcoxyamine amide)s ou des poly(alcoxyamine phosphodiester)s. Pour chaque voie de synthèse des monomères à façon seront synthétisés et étudiés. En particulier l’équipe de Didier Gigmes à Marseille synthétisera des nitroxydes pouvant être utilisés dans cette approche. La synthèse macromoléculaire sera étudiée par l’équipe de Jean-François Lutz à Strasbourg. En particulier, cette chimie sera automatisée à l’aide d’une plate-forme combinatoriale de synthèse et d’un synthétiseur automatisé. Le séquençage de ces polymères codés sera également étudié dans ce projet. En particulier, des méthodes de séquençage inspirées par les technologies utilisées en génomique et en protéomique seront testées. Par exemple, les séquences seront étudiées par spectrométrie de masse tandem (MS/MS), par la méthode MS3 et par spectrométrie de mobilité ionique par l’équipe de Laurence Charles à Marseille ainsi que par RMN à haut champ par l’équipe de Marc-André Delsuc à Strasbourg. De plus, de nouveaux outils de séquençage tel que le 2D-FTICR-MS seront étudiés par les équipes de Delsuc et Charles. Avant de rédiger ce projet, des études préliminaires ont montré que le séquençage des polymères est facilité par la présence de liaisons alcoxyamines fragiles dans leurs chaînes. Par exemple, ces points de fragilité simplifient grandement le séquençage MS/MS. Dans le cadre du projet 00111001, des polymères contenant différents types de liaisons alcoxyamines seront préparés et séquencés. Cette étude devrait permettre de corréler la structure moléculaire des polymères à leur « lisibilité ». Enfin, la possibilité « d’effacer » les codes moléculaires inscrits sur les chaînes sera étudiée dans ce projet. En effet, les poly(alcoxyamine amide)s sont sensibles à la température et deviennent dynamiques quand ils sont chauffés. De plus, des monomères photosensibles seront préparés dans ce projet. Ainsi, l’information inscrite sur les chaînes pourra être manipulée par chauffage ou sous irradiation lumineuse. Les vitesses et les mécanismes de dégradation seront étudiés en détail dans ce projet. Dans l’ensemble, le projet 00111001 devrait permettre de développer une toute nouvelle classe de macromolécules synthétiques.

Certains animaux migrateurs s'orientent pendant leurs migrations à longues distances en percevant le champ magnétique terrestre. L'origine moléculaire d'un tel sens est encore méconnue. Récemment, la protéine cryptochrome a été supposée à l'origine de cette "boussole biologique". Le mécanisme photochimique serait basé sur la création de paires radicalaires dans un complexe donneur-accepteur : après absorption lumineuse, un transfert d'électron se produit entre une flavine et des tryptophanes qui forment le site actif du cryptochrome, générant ainsi un biradical localisé. Cette paire radicalaire subit une dynamique cohérente des populations d'états singulet et triplet. Des modèles théoriques ont montré qu'une telle dynamique peut être affectée par des champs magnétiques externes à faible intensité, en supposant des états excités avec des propriétés magnétiques et dynamiques très spécifiques : longue durée de vie des paires radicalaires, différentes réactivités des états singulet et triplet, couplage hyperfin anisotrope, etc. Jusqu'à présent, il n'y a pas de preuves qu'un tel mécanisme existe également dans un milieu biologique. Nous proposons de développer un modèle de dynamique quantique multi-échelles dans le but de déterminer l'effet des champs magnétiques sur l'activité de la protéine cryptochrome. Le modèle se base sur des Hamiltoniens effectifs analytiques qui intègrent l'ensemble des informations relatives aux propriétés magnétiques, électroniques et vibrationnelles des états excités de la protéine. Ces Hamiltoniens seront utilisés ensuite pour propager en temps réel des paquets d'onde sous l'action des champs magnétiques externes. Ce projet permettra de prouver si la protéine cryptochrome peut être considérée comme une boussole biologique. En outre, ces résultats pourront constituer la première preuve directe de l'effet d'un champ magnétique de faible intensité sur le mécanisme d'une réaction photochimique prenant place en milieu biologique.

La vision et les autres processus de communication basés sur l'utilisation de la lumière sont omniprésents dans la nature. Parmi tous les mécanismes moléculaires responsables de l'émission de lumière (par exemple la fluorescence, la phosphorescence ...), la chemiluminescence et son processus analogue dans les organismes vivants, la bioluminescence, sont intéressants en raison de leur origine moléculaire: l'énergie chimique convertie en énergie lumineuse. Ainsi il faut remarquer que la lumière émise constitue une signature de la réaction chimique sous-jacente. Cette propriété a inspiré le développement de nombreuses techniques analytiques dans des applications biomédicales (par exemple en imagerie) via l'utilisation d'analogues de molécules typiques émettrices de lumière (présentes chez les lucioles, les coléoptères, les méduses, ...) Parce que ces analogues présentent des propriétés photochimiques similaires à leurs homologues naturels (appelés luminophores), ils émettent généralement une lumière de couleur bleu ou vert, alors que le jaune ou le rouge restent rare. La conception d'émetteurs de lumière bio-inspirés nécessite une meilleure compréhension des facteurs responsables au niveau moléculaire de la modulation de la couleur émise. Comme parfaitement illustré par la conception de systèmes inspirés par la protéine fluorescente verte (GFP, Prix Nobel de chimie 2008) et présentant des propriétés photophysiques optimales, il est d'une importance primordiale de comprendre en profondeur les interactions entre les espèces photo-actives et leur environnement protéinique. Cette caractérisation est nécessaire au développement de techniques analytiques très sensibles utilisant la bioluminescence dans des domaines que les sciences de l'environnement, les sciences médicales, l'analyse des aliments pour n'en citer que quelques-uns. Le projet BIOLUM vise à combiner des recherches fondamentales de pointe, aussi bien théoriques qu'expérimentales, pour évaluer l'importance de deux facteurs impliqués majoritairement dans la modulation de la couleur émise: 1) la structure du luminophore et ses interactions avec la protéine, 2) le pH. C'est en croisant les informations obtenues lors de l'étude de la luciférine native ou modifiée présente dans l'enzyme luciférase de la luciole que nous obtiendrons une meilleure compréhension des mécanismes à l'œuvre dans la modulation de la couleur émise. L'accent sera notamment mis sur 1) la caractérisation des structures de luciférines natives ou modifiées dans la cavité de la luciférase, 2 ) la détermination des étapes photochimiques pertinentes menant à l'émission de lumière, 3) l'étude des transferts de protons importants entre l'oxyluciférine (comme est appelée la structure de la luciférine précédant l'émission de lumière) et divers donneurs et accepteurs et 4) la détermination des acides aminés de la protéine qui sont cruciaux dans le contrôle de la couleur émise. Enfin, les connaissances acquises permettront de suggérer de nouvelles pistes pour la conception rationnelle de systèmes chemi- et bio-luminescents synthétiques de couleurs contrôlées.

Durant la dernière décennie, la détection du radical anion superoxyde (O2•-) dans les systèmes biologiques n’a cessé de demeurer un challenge pour la communauté scientifique. Le radical superoxyde est à l’origine de plusieurs cascades radicalaires conduisant aux Espèces Réactives de l’Oxygène et de l’Azote (RONS) entrainant des dommages irréversibles. Cependant, à l’heure actuelle, aucune méthode n’est capable de détecter la présence du radical superoxyde dans les systèmes biologiques et ainsi la caractérisation de RONS in vivo reste un défi. Récemment, contrairement aux autres sondes fluorescentes, l’Hydroéthidine (HE) s’est révélée être une sonde fluorogénique prometteuse pour la détection du radical anion superoxyde. Malheureusement, l’utilisation de HE dans les systèmes biologiques est limitée par quatre problèmes majeurs : (i) le manque de données relatives au mécanisme de sa réaction avec le radical superoxyde, (ii) une biodistribution non sélective de HE, (iii) sa dégradation par les protéines hémiques conduisant à de faux positifs, (iv) la nécessité d’une séparation HPLC couplée à une détection de type fluorescence et électrochimique. Nos équipes travaillent sur le développement de diverses techniques pour la détection et la caractérisation de RONS (e. g. piégeage radicalaire, mimes de la SOD, détection de RONS basée sur la fluorescence) depuis plus de 20 ans et leurs contributions ont été largement reconnues dans le domaine de la chimie et de la biologie des radicaux libres. Le présent projet inclue: (i) des études mécanistiques et cinétiques (calculs DFT, synthèse de systèmes modèles, radiolyse pulsée...) pour une meilleure connaissance de la réaction de HE avec le superoxyde et d’autres oxydants biologiques, (ii) la synthèse de dérivés de HE ciblant les compartiments intracellulaires, (iii) une approche supramoléculaire et une autre exploratoire pour s’affranchir de l’oxydation non spécifique par les protéines hémiques, (iv) le développement rationnel de sondes dérivées de HE basées sur les résultats obtenus (i-iii) permettant une détection directe du superoxyde par fluorescence (v) la détection du radical superoxyde dans des systèmes biologiques modèles. La structure moléculaire de la sonde joue un rôle fondamental dans l’efficacité de la méthode mais il reste encore du travail pour améliorer le design et le développement de nouvelles sondes de type HE plus efficaces pour la détection qualitative et quantitative du radical superoxyde. Ce projet implique directement un partenaire français ainsi que deux groupes étrangers incluant celui de B. Kalyanaraman (Medical College of Wisconsin, Milwaukee USA) et celui de A. Sikora (Institute of Applied Radiation Chemistry, Technical University of Lodz, Poland). Ces deux groupes ont déjà les fonds nécessaires pour la réalisation du projet. Aucun financement n’est sollicité à l’ANR pour ces deux groupes. Les équipes regroupées dans ce projet ont une expérience reconnue dans leurs domaines, et cette collaboration est l’illustration du besoin d’un effort interdisciplinaire pour repousser les limites actuelles dans les thématiques radicalaires et biomédicales.

Le projet INPECable consiste à développer des amorceurs radicalaires innovants en vue de les utiliser dans la production de câbles d'alimentation électrique haute tension présentant une fiabilité et une sécurité encore inégalées. Ces câbles de nouvelle génération s'inscrivent pleinement dans l'essor programmé des réseaux électriques intelligents permettant d'assurer une distribution optimisée de l'électricité et de manière robuste. Les câbles d'alimentation haute tension sont constitués de polyéthylène réticulé à haute température en présence de peroxydes d'alkyle. Toutefois, lors du procédé de réticulation, le peroxyde conduit également à la formation de sous-produits généralement volatiles et/ou polaires susceptibles d'engendrer des phénomènes d'explosion du câble et des pannes prématurées, respectivement. Aussi, afin de surmonter ces inconvénients nous proposons de concevoir, préparer et utiliser des agents de réticulation du polyéthylène inédits capables d'assurer la production de câble en évitant la formation de sous produits volatiles et polaires. Pour atteindre cet objectif, le projet rassemble un panel de compétences et d'expertises complémentaires (études physico-chimiques et théoriques, synthèse et caractérisation de peroxyde, élaboration de câbles et caractérisation de leur propriétés électriques).

La détection et le dosage de médicaments ou de drogues à de faibles concentrations est un enjeu sociétal majeur et un défi important dans le domaine de la chimie analytique en raison de la forte demande dans les domaines tels que la pharmacologie, la toxicologie, la police scientifique. Cette détection est actuellement réalisée en utilisant principalement des méthodes immunologique ou chromatographique possédant chacune leurs avantages et inconvénients. Une méthode qui détecte de manière rapide, simple, spécifique, sensible et pour un faible cout, n’existe pas encore. La détection par spectroscopie Raman a été envisagée dans cet objectif puisque c’est une technique simple, rapide, peu onéreuse et qui est également spécifique puisqu’elle permet de différencier des composés de structures moléculaires très proches. Toutefois, malgré ces nombreux avantages, elle n’a été que très peu utilisée pour la détection de molécules en raison de la très faible efficacité de la diffusion Raman. Cet obstacle a pu être surmonté par la découverte en 1977 de l’effet SERS qui correspond à une exaltation de la réponse Raman lorsque la molécule sondée est adsorbée sur une surface métallique nanostructurée. Même si beaucoup de molécules ont été étudiées par effet SERS, le design de substrats nanostructurés efficace et adaptable reste le principal défi pour atteindre des facteurs d’exaltation hautement reproductibles et très élevés permettant le développement de cette technique au niveau industriel. Toutefois, même si le design de ces substrats est réalisé, seule la moitié du problème est résolue jusqu’à ce que l’interaction entre la molécule à détecter et le matériau soit étudiée d’un point de vue thermodynamique et comprise. Ainsi, nous proposons un projet de recherche innovant qui permettra de lever ce verrou technologique. Il consiste en l’élaboration sur-mesure, via une nouvelle méthode de synthèse, de nanocomposites poreux multifonctionnels à base de nanoparticules d’Ag et d’Au et en leur utilisation pour la détection de médicaments/drogues en couplant leurs propriétés d’adsorption et leur réponse Raman. Les principaux objectifs du projet DOM TOM sont de comprendre les mécanismes permettant de contrôler la réponse Raman des molécules adsorbées sur des nanocomposites poreux et d’utiliser ces connaissances pour le design de matériaux multifontionnels qui permettra de proposer une nouvelle technique analytique pour la détection de ces molécules. Nous proposons, afin d’atteindre ces objectifs, une approche scientifique originale fondée sur 4 étapes successives : 1- l’élaboration de matériaux sur-mesure afin de contrôler le procédé d’adsorption pour obtenir une réponse Raman reproductible et sans ambiguïté de la molécule, 2- une description thermodynamique complète de l’interaction entre la molécule et le matériau, 3- la compréhension des corrélations entre l’interaction molécule/matériau et la réponse Raman de la molécule 4- l’optimisation des paramètres clés mis en évidence lors de l'étape 3 afin de générer de manière contrôlée l’effet SERS et d’atteindre les seuils de détection les plus bas. Le projet est divisé en deux phases. Pendant la phase I (étapes 1 à 4), nous travaillerons avec l’Oxazepam appartenant à la famille des benzodiazépines qui sont des médicaments fréquemment prescrits et facilement accessibles en France. Ces molécules sont souvent trouvées lors de tests toxicologiques dans le cas d’agression sexuelle avec soumission chimique mais les méthodes actuelles de détection sont longues, compliquées et pas assez sensibles. Pendant la phase II, toute l’expertise acquise durant la phase I sera mise à profit pour détecter des molécules qui ont été choisies en raison de la pertinence clinique de leur détection. Le projet DOM TOM est interdisciplinaire puisqu’il rassemble des compétences expérimentales et théoriques dans les domaines de la chimie, de la chimie-physique, de la science des matériaux, de la physique et de la médecine.

NMR is a cornerstone technique in many scientific fields, ranging from chemistry to medicine, biology and physics because of its ability to address a wide range of problems in systems as diverse as polymers, proteins, superconductors, metal oxides, small organic molecules, supramolecular assemblies, animals and humans. This spectroscopy suffers however from one key weakness, weak NMR signals. This prevents NMR being used for characterization in many of the most exciting areas of modern science, in particular the study of surfaces and materials, or of large proteins. Thus, for years, methods to surpass this limitation in sensitivity have been actively investigated. Dynamic Nuclear Polarization (DNP) in combination with Magic Angle Spinning (MAS) solid-state NMR spectroscopy (DNP MAS ssNMR) has recently emerged as a powerful tool to enhance the NMR signals of solid samples. It has been shown that DNP experiments that achieve even a fraction of the theoretical maximum signal enhancement (658 for 1H, 2617 for 13C) allow major breakthroughs in the detailed characterization of previously inaccessible systems. For instance, structural studies of materials (hybrid silica, MOF, metal oxides, polymers, pharmaceutical formulation), or biomolecules have established the astonishing abilities of this technique. In the past 5 years, the optimization of the structural and magnetic properties of the polarizing agents (PAs) has significantly contributed to the increase of the signal enhancement at 9 T and to the success of the technique. The two partners of the project have provided an input in the field by developing more efficient polarizing agents (AMUPol and TEKPol), establishing new methodologies for DNP ssNMR (DNP SENS) and demonstrating the high value of DNP ssNMR for the detailed characterization of various samples. AMUPol and TEKPol, commercially available for 18 months, are currently the most efficient polarizing agents and are used now by the ssNMR/DNP community. However, ssNMR/DNP still faces some important disadvantages, such as the requirement of a glassy matrix, non-optimal signal enhancement and a poor spectral resolution due to the low temperature of the experiments (ca 100 K). Moreover, at high field (18 T), the gain in sensitivity is dramatically reduced in regards with experiments performed at 9T. With AMUPol, the DNP signal enhancements drop from 200-250 at 9T (400 MHz, 100 K) to 30-40 at 18 T (800 MHz, 100 K) in model systems (proline or urea sample). This translates typically in DNP factor of roughly 10 at 18T on protein samples. Recent experiments suggest that our understanding of the polarizing processes at high fields (18T) needs to be re-examined. Therefore, there is a clear challenge to get a better understanding of DNP at high field and to develop new polarizing agents efficient at 18 T and or at higher temperatures. The proposed project will lead to the development of new polarizing agents and new methodologies that will make clearly beneficial the use of DNP at high field (18 T) and/or at higher temperature (above 200 K). Our initiatives will bring advances with efficient polarizing agents, a better understanding of the polarizing processes, and in the developments of ssNMR for the structural studies on challenging samples. The work will cover from the design and synthesis of new radicals, to EPR investigations at high field (with G. Jeschke, ETH), DFT calculations and ssNMR DNP experiments at 9, 14 and 18 T and at various temperatures (9 and 18 T DNP systems available in partner 2). To meet these challenges, new families of polarizing agents will be introduced, such as strongly dipolar coupled dinitroxides, heterobiradicals, new narrow line radicals with pseudo-isotropic g values, new radicals for Overhauser Effect. Finally, these polarizing agents (PAs) will be exploited to record high-resolution high-temperature DNP enhanced NMR spectra on biological samples.

Le domaine de l'impression 3D est actuellement en plein essor et correspond pour certains même à une révolution industrielle. L'impression 3D peut aussi utiliser des imprimantes 3D à des prix abordables pour un usage domestique (pièce unique) jusqu’à de grandes machines pour la production industrielle. Le présent programme de recherche est en accord parfait avec l'appel à projet "renouveau industriel ". Ce projet, en collaboration avec un partenaire industriel, vise à développer de nouvelles résines photosensibles pour la fabrication, la production ou l'étude de nouveaux produits polymères qui peuvent être conçus, prototypés et testés en un temps court et pour un prix réduit en impression 3D. La technologie (l'optique, l'électronique etc …) des imprimantes 3D est d’ores et déjà bien mature bien que la photosensibilité des résines doit être clairement améliorée (des résultats très préliminaires à ce projet montrent que ceci est parfaitement possible!). Nous développerons de nouvelles résines spécifiquement adaptées à cette demande; tous les composants de la résine (systèmes amorceurs et monomères /oligomères) seront développés spécifiquement pour un cahier des charges spécifique de cette application (longueurs d'ondes d'irradiation visible, diode électroluminescentes (LED), faible intensité, viscosité, vitesse d’écriture ...). Ce projet représente une grande originalité par rapport à l’état de l’art car il n’existe pas encore de résines spécifiques pour l’impression 3D. En effet, les résines actuels sont basés sur des systèmes amorceurs UV commerciaux (Type I ou Type II) qui ne sont clairement pas adaptés aux longueurs d'ondes d'irradiation utilisées dans l'impression 3D aboutissant à des vitesses d’impression assez lentes. De la même manière, pour les monomères, seuls des composants traditionnels de l’UV curing (peintures, revêtements …) sont actuellement utilisés; le développement de nouveaux monomères hautement réactifs caractérisés par des vitesses de propagation élevées serait un avantage fort pour cette technologie. Le développement de résines à haute performance, proposé ici, constituera clairement une avancée remarquable dans le domaine de l'impression 3D. Actuellement, un manque presque complet de systèmes efficaces pour la polymérisation sous LED dans les imprimantes 3D est observé! Pour la première fois, tous les composants actifs de la résine photosensible seront développés spécifiquement pour cette application. Dans ce projet pour l’impression 3D, cinq approches différentes (cinq tâches différentes) seront examinées : 1/le design de nouveau amorceurs de Type I ou II 2/ le développement d’une nouvelle chimie radicalaire 3/ le développement de monomères hautement réactifs 4/ l’utilisation de la photopolymérisation radicalaire contrôlée 5/ une mise à l’échelle industrielle. Ce projet est basé sur une très forte collaboration entre trois partenaires - 2 académiques et un industriel -reconnus comme des spécialistes dans leur propre domaine de recherche tout en ayant une excellente complémentarité entre eux. Aucun de ces groupes ne pourrait réaliser seul un tel projet. Cette excellente complémentarité /synergie entre les différents partenaires illustrés par des résultats préliminaires à ce travail démontrent déjà que l’on peut s’attendre au développement de résines avec une réactivité sans précédent pour l'impression de 3D.

Le but de ce projet est de développer une nouvelle méthodologie de synthèse de polyesters aliphatiques conduisant à une nouvelle famille de nanoparticules biodégradables ainsi qu’à de nouveaux élastomères biodégradables pour une application en thérapie cardiaque. Les maladies cardio-vasculaires représentent par exemple la cause de mortalité la plus importante aux USA, avec un cout annuel estimé à 300 millions de dollars. Les dégâts irréversibles causés par l’infarctus du myocarde nécessitent de développer de nouveaux biomatériaux plus efficaces pour la thérapie cardiaque. Parmi les différents traitements qui ont été développés, les facteurs de croissances (facteur de croissance de l'endothélium vasculaire VEGF ou de type insuline IGFs) ont montré des propriétés angiogéniques et cardio-protectrices. Récemment des nanoparticules de polyester ont permis grâce à la délivrance contrôlée de différents facteurs de croissance d’améliorer de façon significative les propriétés cardiaques après un infarctus du myocarde. Une seconde approche contre l’infarctus est basée sur l’utilisation d’un patch élastique et biodégradable fabriqué à partir d’un polyester réticulé qui va permettre de favoriser la formation de muscle contractile, limitant ainsi le processus de remodelage cardiaque et donc améliorant le statut hémodynamique. Cependant, quelle que soit l’approche, ces deux types de biomatériaux présentent des limitations. Les techniques courantes de préparation de polyesters ne sont compatibles qu’avec un nombre restreint de monomères et la préparation de nouveaux monomères fonctionnels nécessite une synthèse multi-étapes. De plus, il n’existe pas de méthode facile de fonctionnalisation de ces polymères permettant de préparer des biomatériaux marqués et/ou des biomatériaux contenant des principes actifs en vue d’une approche prodrogue (libération progressive et contrôlée de principes actifs, proportion de principe actif plus importante, etc.. Le projet que nous proposons repose sur la copolymérisation quasi-idéale entre les acetals cétène cycliques et de dérivés vinyliques fonctionnels. Cette propriété permet la préparation par voie radicalaire de polyesters possédant des groupements fonctionnels introduits de façon homogène dans la chaîne. Cette méthode présente les avantages de la chimie radicalaire (conditions expérimentales non contraignantes, tolérance vis a vis de nombreux groupes fonctionnels, etc.), une faible contraction volumique et la possibilité de préparer des polyesters fonctionnels à façon, qui ne pourraient pas être préparés par les méthodes conventionnelles. Ce projet va ainsi permettre d’élaborer des polymères aux propriétés ajustables (vitesse de dégradation, fonctionnalisation). Ces nouveaux biomatériaux seront utilisés pour préparer des nanoparticules et des élastomères comprenant tous deux des facteurs de croissance qui pourront être relargués de façon contrôlée. En plus de la préparation d’une nouvelle famille de polyesters fonctionnels, le but de ce projet est aussi d’étudier les propriétés de ces biomatériaux (propriétés mécaniques, vitesse de dégradation, cytotoxicité, etc.) et finalement de les évaluer dans des études in vivo sur des cœurs ischémique chez les rats.

Il est communément admis depuis deux décennies que l’incorporation de nanoparticules (NPs) dans une matrice de polymère conduit à la formation de matériaux présentant des propriétés significativement améliorées telles que les propriétés mécaniques, électriques, optiques, ou de transport. En conséquence, les polymères nanocomposites (PNCs) présentent un potentiel stratégique important pour des industries émergentes telles que le stockage de l’énergie, l’industrie des pneumatiques, des peintures ou des implants médicales. Ces mélanges d’intérêt, dont la structure et la dynamique locale sont pilotés par des interactions à l’échelle nanométrique, posent également des interrogations nouvelles de physique fondamentale associées au rôle des chaînes de polymères confinées et aux mécanismes d’agrégation colloïdales. Jusqu’à maintenant le champ de recherche des PNCs s’est principalement focalisé sur l’optimisation de la contribution du réseau de charges – spécifiquement le contrôle de l’arrangement des NPs dans la matrice de polymère – pour l’amélioration des propriétés macroscopiques. Néanmoins, les tendances générales décrivant les mécanismes qui gouvernent les relations structure-propriétés ne sont pas clairement établies. Certains résultats montrent des corrélations claires entre la morphologie des renforts et les propriétés des matériaux via la percolation qui augmente le renforcement mécanique, la conductivité thermique et électrique dans ces matériaux hybrides. Cependant, il n’est pas clair si cette percolation résulte uniquement des NPs ou d’une contribution inter-faciale entre le polymère et les NPs induisant des modifications de la dynamique des chaînes de polymère. Des percées significatives peuvent être attendues dans le champ de recherche des PNCs si l’on parvient à une description précise des effets d’interfaces et de la dynamique multi-échelle. Ce projet a pour objectif de développer de nouvelles méthodologies pour la conception de PNCs bien définis présentant des propriétés d’interfaces modulables permettant d’optimiser les propriétés fonctionnelles des matériaux. Pour atteindre cet objectif, nous proposons un projet pluridisciplinaire cohérent allant de la synthèse des polymères, au greffage, à la préparation et la caractérisation des PNCs, incluant la dynamique et les propriétés macroscopiques, et un transfert de connaissances vers des systèmes importants pour l’industrie des pneumatiques (Michelin). La nouveauté de l’étude est un point particulièrement critique au regard de l’état de l’art existant dans le domaine des PNCs. Premièrement, nous allons synthétiser une série de NPs greffées présentant des degrés variables d’interaction chaine-NP, de mobilité, de rigidité et de poly-dispersité. Alors que beaucoup de travaux précédents ont focalisés sur les modifications des interactions à la surface des NPs, nous proposons un nouveau mécanisme par l’introduction de ponts labiles qui permettront de dé-greffer in-situ les chaînes des NPs, sans modifier la dispersion spatial, et d’en examiner les conséquences sur la détérioration des propriétés. En second lieu, nous allons préparer une nouvelle classe de PNCs en nous basant sur un nouveau paradigme d’assemblage. Alors que de nombreux précédents travaux ont focalisés sur deux stratégies, les NPs tensio-actives ou les effets de cisaillements pour atteindre ce but, nous proposons de contrôler l’assemblage des NPs via le taux de cristallisation de la matrice. Finalement, nous proposons le transfert des méthodes et concepts sur des systèmes réels de l’industrie pneumatique. Le projet présenté est un projet de recherche collaboratif (PRCE) entre 4 partenaires experts dans (i) la polymérisation et greffage innovant (ii) des approches théoriques et expérimentales pour assembler des NPs fonctionnalisées dans une matrice polymère (iii) la caractérisation et modélisation des fonctionnalités macroscopiques des matériaux composites en relation avec leur structure et leur dynamique.

Les maladies pulmonaires inflammatoires telles que la BPCO causent mondialement 2,5 millions de morts prématurées. Ces maladies ont en commun un recrutement abondant de neutrophiles qui secrètent des protéases responsables de la perte progressive de la fonction pulmonaire. Or il n'existe pas de méthode capable de mesurer l'activité de ces enzymes dans les poumons in vivo. Une telle méthode permettrait un diagnostic précoce du déséquilibre protéase/inhibiteur avant que les lésions pulmonaires ne soient visibles par les méthodes d'imagerie actuelles. La fonction pulmonaire serait alors préservée à l'aide d'inhibiteurs de protéases. Nous proposons de développer une méthode d'imagerie de l'activité protéolytique dans les poumons utilisant l'IRM rehaussée par l'effet Overhauser (IRMO). Nous nous appuieront sur un appareillage unique au monde et sur le développement récent de molécules de contraste adaptées. La validation sera conduite sur des modèles souris d'emphysème et de mucoviscidose

Dès le début de la première révolution industrielle, l’industrie chimique a joué un rôle prépondérant tant pour le développement de nouveaux matériaux que pour le développement de nouveaux médicaments. Si l’importance de la chimie ne semble pas très grande, elle est si fortement ancrée dans notre vie quotidienne qu’elle en est devenue indispensable. Souvent, l’industrie chimique occupe le devant de la scène médiatique lors d’accidents ou de licenciements massifs, alors que cette industrie fournit des milliers d’emplois. Malgré les avantages tant sociaux que technologiques apportés par l’industrie chimique, celle-ci présente d’importants problèmes liés aux risques technologiques et écologiques. Ainsi, des règlementations de plus en plus draconiennes sont promulguées afin d’améliorer la sécurité des travailleurs et de la population environnante ainsi que de diminuer l’impact écologique, tout en gardant les avantages technologiques et sociaux. Toutefois, les coûts de production sont clairement accrus conduisant à remettre en question le développement de l’industrie chimique en France. Cependant le développement de nouvelles technologies exigent l’utilisation de nouveaux matériaux. Une large utilisation de ces nouvelles technologies exige un prix d’achat le plus accessible possible, et en conséquence, celles-ci doivent utiliser les matières «première» les moins coûteuses. C’est un défi pour l’industrie chimique de pouvoir produire des nouveaux matériaux avec un coût minimal tout en ayant une sécurité maximale et un impact écologique minimal. L’industrie chimique a en partie surmonté ce défi en s’appuyant sur la polymérisation radicalaire (PR) pour produire ces matériaux. En effet, environ 50% de tous les polymères synthétiques sont produits par PR. Le succès de la PR est du aux grands nombre de monomères polymérisable, à leur facile copolymérisation, aux conditions de réaction robustes (de température ambiante à 100 °C, pression atmosphérique), et aucune purification des monomères et des solvants. PR est insensible à l’eau, à l’air, aux impuretés protiques et peut être conduite en masse, en solution, en suspension aqueuse, émulsion, dispersion … Le nombre de monomères accessibles est plus important pour la PR que pour n’importe qu’elle autre types de polymérisation en chaîne car les radicaux produits tolèrent de nombreuses fonctions chimiques telles qu’acide, hydroxy, et amino. En PR classique, des polymères de haut poids moléculaire sont produits au cours des premiers moments de la réaction, ainsi ni des temps de réaction longs ni the hautes conversions sont nécessaire à la différence des polymérisations par étapes. Par contre, les PR contrôlées produisent des polymères ayant des propriétés et des structures variées à des coûts bien moindres que n’importe quelles autres techniques. Néanmoins, PR exige l’utilisation d’amorceurs – composés azo et péroxy – qui sont thermiquement instables. A cause de leur réactivité inhérente, leurs préparation, stockage, manipulation et transport sont difficiles et soulèvent des problèmes de sécurité cruciaux. Leur très grande instabilité thermique engendre des risques d’explosions lors de stockage impropres. Afin d’alléger au mieux les charges dues aux nouveaux règlements, le développement d’amorceurs alternatifs aux composés azo et peroxy doit être entrepris. A côté des problèmes de sécurité liés aux composés azo et peoxy, des problèmes écologiques et commerciaux existent dus à la réactivité intrinsèque des radicaux produits lors de leur thermolyse. Ces radicaux sont sujets à d’autres réactions que l’addition sur un monomère. Ces produits issues des réactions parasites peuvent être soit relâchés dans l’atmosphère entrainant une pollution de l’air, soit relargués lentement dans le produit final entrainant l’émission d’odeurs désagréables voire d’allergies. Afin de remplir les exigences sociétales: une nouvelle génération d’amorceurs pour la PR plus sûre et plus écologique se doit d’être développée.

Dans les dernières décennies, un grand intérêt a été consacré au domaine de la modification de polymères en l'absence de solvant afin de réduire, voire d’éliminer, les émissions de composés organiques volatils (COV). La plupart des travaux antérieurs ont été réalisés en utilisant des appareils permettant de transformer le polymère à l’état fondu, tels les mélangeurs internes, et, pour les procédés en continu, les extrudeuses. Ces modifications chimiques se font le plus souvent en présence de générateurs de radicaux libres. Par exemple, les méthodes actuelles de modification chimique de polyoléfines sont basées sur l'utilisation de réactifs peroxydes. L'application de la fonctionnalisation radicalaire à des polycondensats tels que les polyamides et les polyesters est un grand défi qui pourrait représenter un outil innovant pour préparer des matériaux à propriétés originales. Les réactifs conventionnels comme les peroxydes produisent, par décomposition, des espèces radicalaires centrées sur l’atome de carbone ou l’atome d’oxygène, espèces capables d’arracher des atomes d’hydrogène sur le squelette macromoléculaire des polymères. Cependant, les procédés mettant en jeu des peroxydes en présence de polycondensats et de monomères entraînent l’obtention de faibles taux de greffage et des réactions secondaires parasites telles que la réticulation, des scissions intramoléculaires qui dégradent le matériau et la présence inévitable d’homopolymère. La chimioséléctivité de ces réactifs peroxydiques est donc faible, et le fait de devoir travailler à des températures suffisamment élevées pour fondre le polymère ne fait qu’aggraver la situation. Récemment, une nouvelle famille d’amorceur radicalaire à base de N-acetoxyphtalimide (NAPI) a été développée. Ces composés sont censés produire des radicaux acyle et a,a’-dione-cycloaminyle à haute température (T> 190 ° C) et sont revendiqués pour être une bonne alternative aux peroxydes. En effet, nous avons montré au cours de l’ANR MODEM (fin en Mars 2012) que le NAPI était plus efficace que le peroxyde de dicumyle dans sa capacité à arracher des atomes d'hydrogène sur les polyolefines. L’idée est donc ici de développer de nouvelles molécules susceptibles de générer des radicaux a,a’-dione-cycloaminyle de haute réactivité permettant le greffage de polymères vinyliques et (meth)acryliques fonctionnels en l’absence de réactions secondaires sur des polycondensats, à l’état fondu.

Le stockage d'énergie est l'un des plus grands défis sociétaux de ce siècle. Malgré les progrès réalisés, ses dernières années, par la technologie lithium-ion basée sur l’utilisation d’un électrolyte liquide, leur instabilité intrinsèque pose des problèmes de sécurité indéniable. L’utilisation d’électrolytes polymères secs est une solution parfaite en termes de sécurité, d’intégration et d'amélioration de la densité d'énergie. Toutefois, comme pour les électrolytes liquides, la fraction de charge portée par Li+ est faible (<20%), ce qui limite les performances électriques. En outre, les électrolytes polymères secs fonctionnent à 80 ° C, à une température où les propriétés mécaniques sont insuffisantes et leur fenêtre de stabilité électrochimique est limitée. Le lithium métal est l'électrode négative de plus forte capacité et est le seul choix pour profiter des capacités élevées des positives des technologies lithium-air et lithium-soufre. Dans ce contexte, les principaux objectifs de notre projet est de développer une batterie « lithium métal polymère » (LMP) capable de fonctionner à 40 ° C sur un grand nombre de cycles (> 1000). Nous avons développé, dans le cadre de COPOLIBAT, des copolymères à blocs (BCE) à conduction cationique, comprenant des blocs polystyrène avec des fonctions bistrifluorométhanesulfonyl imidure de lithium (TFSILi) greffées et un bloc central PEO. Ils permettent de répondre à la plupart des limitations indiquées ci-dessus, avec un transport cationique, d'excellentes propriétés mécaniques et une fenêtre de stabilité électrochimique jusqu’à 5 V vs Li+/Li. Les batteries réalisées présentent des performances supérieures à l’état de l’art, notamment en offrant de très bonnes performances à 60 ° C. Ce projet COPOLIBAT2 vise à poursuivre notre effort sur ces familles d’électrolyte très prometteuses et à développer des prototypes pré-industriels. Deux aspects principaux seront étudiés pour répondre aux objectifs du projet: 1 - Diminution de la température de fonctionnement, amélioration des performances en termes de puissance, limitation de la croissance dendritique: ? Nous envisageons la modification du bloc POE central afin d’obtenir un caractère amorphe à température ambiante permettant un fonctionnement des batteries à 40 ° C. L’addition d’une faible quantité de plastifiants sera également étudiée. ? Nous voulons développer de nouveaux monomères anioniques permettant d’augmenter la dissociation et ainsi augmenter la conduction. En outre, nous voulons analyser l’effet de la position des anions sur le squelette macromoléculaire sur les propriétés physico-chimiques et notamment le transport ionique. ? Ces électrolytes à conduction cationique évitent la formation de gradient de concentration lors du fonctionnement, ce qui est très bénéfique pour les performances en puissance, de plus ils devraient empêcher la germination des dendrites de lithium. Ces aspects sont essentiels pour le développement des LMP. L'interface lithium/polymère sera tout particulièrement étudiée pour analyser la nature des dépôts de lithium et calculer le rendement faradique et ainsi évaluer le nombre de cycles pouvant être atteint. 2 – Réaliser un démonstrateur pré-industriel pour qualifier les nouvelles formulations de BCE en fonctionnement réel: ? Les premiers prototypes utiliseront LiFePO4 comme matière active de positive en utilisant les copolymères développés au cours de COPOLIBAT. Le procédé industriel d'extrusion sera utilisé pour obtenir les BCE en film mince et des électrodes composites. Cela permettra une comparaison directe avec la technologie actuelle du partenaire industriel. ? Au cours du projet, de nouvelles chimies de BCE seront disponibles et directement utilisables pour réaliser des prototypes ? Enfin, du fait du greffage des anions, les BCE semblent stables jusqu'à 5 V vs Li+/ Li, les prototypes seront étudiés en utilisant un matériau actif possédant un potentiel plus élevé (4-4,2V vs Li+/Li)

Ce projet de recherche fondamentale vise à identifier et développer des matériaux d’insertion organiques massifs (état mono-moléculaire) performants pour électrodes positive et négative de batterie au lithium, et se conclura par un premier prototypage de batteries organiques non aqueuses capables de délivrer au moins deux volts. Pour mener à bien ce projet ambitieux et innovant, cinq partenaires bien identifiés (IMN, LRCS, LG, ICR et le CEA-Liten) appartenant au Réseau français sur le stockage de l’énergie (RS2E) uniront leurs forces et leurs différents savoir-faire en particulier en méthodologies de synthèse organique, en électrochimie et chimie des matériaux ou encore en assemblage de batteries complètes. Depuis quelques années, les batteries (Li-ion en particulier) connaissent un fort développement avec des applications très diversifiées dans les secteurs de la téléphonie mobile, de l’électronique embarquée et de la construction automobile. Depuis peu, de nouvelles applications apparaissent comme le soutien du futur réseau électrique digital qui intègre les énergies renouvelables. Cependant, face à une production d’accumulateurs estimée à plusieurs milliards d’unités par an, il convient de rappeler qu’un de leurs points faibles tient à ce que leur fonctionnement repose quasi-exclusivement sur des matériaux d’électrode inorganiques, lesquels sont épuisables et énergivores en termes de procédé. Ainsi, toutes ces technologies de batteries répondent pour le moment assez mal aux nouveaux critères de durabilité qu’instaure la directive européenne 2006/66/EC en la matière. Dans le but de promouvoir des accumulateurs moins polluants, une voie de recherche parallèle consiste à recourir à des composés électroactifs organiques lorsque les spécificités d’utilisation le permettent. En effet, les structures organiques présentent certains atouts comme une constitution basée sur des éléments très abondants (principalement C, H, O, N) et facilement disponibles tout en autorisant un possible bio-sourçage. Enfin, sur le plan du recyclage, ceux-ci se détruisent facilement par combustion. Pourtant, même si le concept est ancien, le développement d’électrodes organiques n’a pas bénéficié d’un essor suffisant compte tenu de la suprématie historique des matériaux inorganiques si bien qu’aujourd’hui, il n’existe pas encore de technologies de batteries organiques commerciales (voire simplement opérationnelles) malgré des potentialités certaines. Grâce à plusieurs années de recherches visant à promouvoir l’essor des matériaux d’électrode organiques, les différents partenaires du projet VOLTA ont maintenant acquis de l’expérience en la matière et ont déjà identifié différentes classes de matériaux prometteurs pour électrodes positive et négative (radicaux nitroxydes, énolates de lithium, carboxylates conjugués). Ainsi, dans une démarche de capitalisation, l’objectif de ce projet est d’aller jusqu’à la réalisation de premiers prototypes de batteries organiques visant une densité d’énergie réaliste en termes applicatif (220 Wh/kg de prototype) grâce à une mise en œuvre optimale des matériaux sélectionnés pour leurs performances électrochimiques. Le projet VOLTA devrait ainsi permettre d’acquérir certaines données et autres repères permettant d’inscrire plus précisément un positionnement futur de ce type de batterie organique.

Ces dernières années, les procédés de photopolymérisation ont fait l'objet d'un effort de recherche intense en raison de la croissance constante des applications industrielles associées. L'utilisation de polymérisation photoamorcée continue à croître fortement dans l'industrie avec un grand nombre de demandes pour les revêtements, les encres et les adhésifs, mais aussi pour des domaines de haute technologie comme l'optique, l'électronique, l'imagerie laser, la stéréolithographie ou les nanotechnologies. La photopolymérisation offre beaucoup d'avantages remarquables par rapport aux procédés thermiques traditionnels comme un contrôle spatial et temporel de la réaction, une forte efficacité pratique et une absence de composés organiques volatils (COV). Par rapport aux procédés thermiques qui exigent des températures de travail élevées, la photopolymérisation peut être réalisée à température ambiante ce qui lui confère des avantages écologiques et énergétiques importants. De plus, une large gamme de monomères ((méth)acrylates, époxydes, éthers de vinyle, oxétanes) peut être employée dans ces procédés conduisant à une grande variété de propriétés finales pour les polymères formés. Cependant, pour réduire les coûts, l'utilisation de conditions de synthèse douces (irradiation visible, faible intensité lumineuse) est exigée actuellement; le développement de nouveaux systèmes photoamorceurs haute-performance est un enjeu très important pour les communautés universitaires et industrielles. En particulier, pour des demandes industrielles, on doit considérer que la sécurité des opérateurs sera grandement améliorée par l'utilisation de sources lumineuses visibles (LED, lampe fluorescente, lumière solaire ...) par rapport aux lampes UV actuelles. Une autre exigence forte pour l'industrie est la possibilité d'utiliser des dispositif d'irradiation basse consommation (en particulier LEDs ) qui ont des coûts de fonctionnement faibles et évitent l'utilisation d'équipements ou réacteurs photochimiques chers et complexes. Dans ce présent projet, une nouvelle approche basée sur la catalyse photoredox sera développée pour la proposition de systèmes amorceurs en conditions d'irradiations particulièrement douces (lumière visible et faible intensité). Deux nouvelles familles de photocatalyseurs seront ainsi construites: i) des molécules purement organique que l'on appellera par la suite organophotocatalyseurs et ii) des complexes organométalliques utilisant des métaux peu ou pas toxique et à bas coût. Cette alternative bon marché aux complexes de Ruthenium ou d'Iridium sera un atout de choix dans les applications industrielles. Cette deuxième série de photocatalyseurs dans des systèmes photoamorceurs de polymérisation incorporera des métaux comme Cu, Al-, Zn, Fe, Ni, Co, … Ce projet répond parfaitement à cet appel de CD2I et encore plus particulièrement à l'axe "Réactions et procédés efficients". En effet, la proposition de systèmes amorceurs de polymérisation (radicalaire et cationique) qui soient efficaces et utilisables sur des conditions d'irradiation très douces est fortement recherchée. En plus des deux partenaires académiques (IS2M - Mulhouse; ICR-Marseille), un partenaire industriel (Photon & Polymères - PnP) est fortement impliqué dans ce projet (Tâche 3) pour l'évaluation de la performance des meilleurs systèmes développés pour des conditions d'irradiation industrielles et plus particulièrement pour des LEDs. En effet, les LEDS sont actuellement des dispositifs 60-80 % plus efficaces en consommation énergétique que des lampes UV (Mercure) conventionnelles; de plus ces LEDs ont de gros avantages environnementaux et de sécurité pour une utilisation dans l'industrie. Dans ce cadre, les LEDs fournissent un remplacement de choix pour les lampes actuelles traditionnelles. Les systèmes proposés dans ce projet fourniront des solutions à des problèmes industriels en combinant une productivité optimisée ainsi qu'un meilleur respect environnemental.

L'objectif de ce projet est de déterminer la structure cristalline de molécules qui ne peuvent pas être étudiées à l’aide des méthodes de détermination conventionnelles. Pour cela, nous utiliserons la méthodologie du couplage dipolaire résiduel (RDC), méthodologie récemment développée dans notre laboratoire pour la Résonance Magnétique Nucléaire du solide (SSNMR). Nos récents travaux et résultats préliminaires ont démontré que la méthodologie RDC permet d’obtenir des informations moléculaires qui étaient jusqu’à présent inaccessibles. En effet, l'approche RDC permet de mesurer les courtes et longues distances inter-nucléaires dans un réseau de spins couplés. Il est intéressant de noter que ces longues distances inter-nucléaires peuvent être utilisées pour explorer la structure cristalline des molécules organiques. En effet, les données expérimentales obtenues avec l'approche RDC permet de mesurer non seulement les distances intra-moléculaires (essentielles pour la détermination de la conformation moléculaire), mais aussi les distances inter-moléculaires, essentielles pour la détermination de la périodicité du cristal. A partir de ces arguments, nous pensons que l'approche RDC peut être utilisée pour étudier les structures cristallines des échantillons sous forme de poudre, en particulier pour de petites molécules pharmaceutiques d’avant-garde. Dans ce projet, nous étudierons, dans un premier temps, des échantillons sous forme de poudre et uniformément enrichis en carbone-13 et en azote-15. La comparaison entre la structure cristalline déterminée par SSNMR et la structure cristalline déterminée par diffraction des rayons X sur mono-cristal nous permettra d'explorer les frontières de l'approche RDC. Par la suite, nous étendrons l'approche RDC à l'étude des distances proton-proton dans des échantillons où le proton se trouve en abondance isotopique naturelle et qui représente un verrou scientifque en RMN du solide. Pour cela, deux stratégies distinctes seront explorées. La première stratégie est basée sur la rotation de l'échantillon à des fréquences qui sont équivalentes au couplage dipolaire proton-proton, tandis que la seconde stratégie repose sur un découplage homonucléaire imparfait. Bien que distinctes, ces deux stratégies partagent le même objectif, à savoir manipuler un système de spin uniquement influencé par de faibles couplages dipolaires proton-proton. Des résultats préliminaires pour ces deux stratégies ont été soit publiés par notre groupe de recherche ou sont fournis dans le document scientifique. Enfin, l'approche RDC sera intégrée dans la méthodologie dite de la "RMN cristallographique" afin d'étudier les structures cristallines des différents polymorphes du latrepirdine, un composé pharmaceutique qui est utilisé pour lutter contre les maladies neurodégénératives. Pour cela, nous combinerons les informations structurales obtenues avec l’approche de la RMN cristallographique, c’est à dire des expériences de rayons X sur poudre et de RMN du solide, avec les informations moléculaires obtenues avec l’approche RDC. Les informations structurales obtenues expérimentalement permettront de déterminer des structures cristallines potentielles, qui seront ensuite affinées à l’aide de calculs ab-initio. Nous pensons que cette stratégie apportera des informations significatives pour la détermination des différentes structures cristallines du latrepirdine et ainsi d'améliorera la compréhension de cette molécule pharmaceutique prometteuse.

Ce projet de recherche vise à développer une nouvelle famille d’aimants organiques basée sur des radicaux « inhabituellement » stables. Pour atteindre cet objectif, l'effet du nanoconfinement sera utilisé pour stabiliser les radicaux et ainsi augmenter leur durée de vie. Le comportement des radicaux dans un espace restreint a été peu étudié. Les silices mésoporeuses structurées seront prises comme modèles. En effet, ces matériaux ont une grande stabilité thermique et chimique et sont facilement fonctionnalisables. Différents précurseurs de radicaux seront synthétisés tels que des thiols aliphatiques ou aromatiques, et des thioéthers / sulfones allyliques, benzyliques ou diazènes. Ils intègreront un groupement trialkoxysilane, afin de les ancrer sur les matériaux mésoporeux, ainsi qu'un précurseur de radical, stable dans les conditions de synthèse des matériaux. Les silices mésoporeuses structurées seront préparées par le procédé sol-gel en présence d'agents de structuration selon deux voies: le greffage ou la synthèse directe. Des morphologies et des diamètres de pores différents seront étudiés. Ensuite, les études de durée de vie des radicaux seront effectuées sur ces matériaux modèles, par spectroscopie RPE. Tout d’abord, différents pièges à radicaux seront utilisés pour valider leur méthode de formation et pour identifier sans ambiguïté les radicaux générés au cours du processus. Puis, les études RPE seront réalisées sur les meilleures silices mésoporeuses sans piège à radicaux pour une observation directe de radicaux centrés sur le soufre. La structure de la silice sera optimisée afin d'augmenter la durée de vie des radicaux. Enfin, les propriétés magnétiques des différentes silices mésoporeuses fonctionnalisées par des radicaux seront étudiées en collaboration avec l’Institut Charles Gerhardt à Montpellier.

Le projet consiste à créer une société produisant des réactifs de laboratoire très performants destinés au marché de la recherche dans les domaines de la biologie et de la chimie radicalaires. Parallèlement à son activité de production, la société aura une activité de conception et de développement de nouveaux réactifs.