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Jacques Livage - Collège de France
Les matériaux bio-inspirésde l’art du feu à la chimie douce
10 juin 2010
L’histoire des matériaux a commencéil y a près de 3 millions d’années
homo habilis
On n’utilisait alors que des matériaux naturelsos, corne, bois, pierre, ...
La découverte du feu a marqué un tournant décisif
- 400.000 ans
former transformer
l’histoire de l’Humanité est liée à celle des matériaux
cuivre bronzepierre fer
5Le développement des matériaux est lié à la maîtrise du feu
20°°°°C 600°°°°C 1000°°°°C
pierre
bronze
fer
L’apparition d’un nouveau matériau entraîne des
modifications profondes de la société
de l’âge de la pierre à l’âge du fer
Aujourd’hui, nous sommes à l’âge du silicium
de l’électronique de l’informatique
et des nano-technologies !
Températures élevées et technologies sophistiquées
Elaboration de monocristaux de silicium
réduction de la silice ≈≈≈≈ 1700°°°°C
purification (SiCl 4)
cristallogenèse (zone fondue ≈≈≈≈ 1500°°°°C))
Fabrication des micro-processeurs
CVD, plasmas, sputtering,épitaxie par jet moleculaire, …
L’élaboration des matériaux modernes nécessite des techniques sophistiquées et
des températures de plus en plus élevées
La Guerre du feu
Une alternative, la chimie douce
« Sera-t-il possible d’inventer une chimie doucequi s’intègre de
façon harmonieuse dans les processus naturels »
Depuis le Cambrien le vivant a appris à fabriquer des matériaux nanostructurés
les micro-organismes du plancton
Les « arts du feu »
la céramique le verre
Frittage de l’argile Fusion du sableT > 1000°°°°C
Deux exemples
Le verrela silice et les diatomées
Les céramiques les nacres et les coccolithes
Diatomées
ILe verre
la silice et les diatomées
micro-algues unicellulaires
entourées d’une carapace de silice(frustule)
photosynthétiques
fixent 20% du CO2 de l’atmosphère
Les diatomées15
HMS Challenger
(1834 - 1919)
Ernst Haeckel
La découverte des micro-algues au 19èmesiècle
Il y a peu d’objets plus admirables que les délicates enveloppes siliceuses des diatomées. N’ont-elles donc été créées que pour que l’Homme puisse les admirer ?
l’origine des espèces 1859
Charles Darwin
Les artistes modernes
Terres de diatomées - diatomites
diatomées Terre de diatomées
sédiment
20
Applications industrielles des diatomitesproduction en France≈≈≈≈ 200.000 tonnes/an
dynamite
Alfred Nobel et la dynamite
filtration : piscines, bière, vin, ...
charges : peintures, plastiquesisolant et réfractaire
porosité
Diatomées et écologie
Les diatomées pour contrôler le bon état des cours d’eau
Indice Biologique des Diatomées mis au point par le Cemagref
basé sur l’abondance des espèces et leur sensibilité à la pollution
Identification des espèces de diatomées caractéristiques du bon état écologique des cours d’eau
Les diatomées en criminologie
Algues microscopiques qui se retrouvent dans les poumons des noyés
Leur analyse permet de déterminer le lieu de la noyade et le cas échéant si la victime est morte par noyade
100.000 espèces différentes caractéristiques du milieu : étang, lac, rivière,…
L'affaire Cretello : la preuve par les diatomées
Février 2008
ILes diatomées
des nano-matériaux vivants !
25
possibilité de produire de grandes quantités de frustules identiques
croissance rapideplusieurs divisions
par jour
Production de grandes quantités de diatomées par culture
environ 100.000 espèces différentesdont la morphologie est génétiquement contrôlée
Culture des diatomées
Les nano-dispositifs 3D sont en général élaborés couche par couche
Porosité hiérarchisée 3D
Dimension de frustules de 1 à 100 µm
Coscinodiscus
capteurs de gaz
matériaux poreux - grande interface gaz-solide
De Stefano et al. Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 233902
15
dépend de l’atmosphère
La photoluminescence des frustules de silice
O O
N
- Si - O - Si -
Limite de détection 0,1 ppm
≈≈≈≈ 10µ
30
Les diatoméesdes cristaux photoniques vivants !
Les photons se propagent dans un cristal photoniquecomme les électrons dans un semi-conducteur
Des cristaux photoniques vivants !
Les pores forment un réseau périodique de ‘canaux’
réseau hexagonal
d ≈≈≈≈ 0,6 µ ≈≈≈≈ λλλλopt
Périodicité des indices de réfraction
SiO2 ≈≈≈≈ 1,5 - air ≈≈≈≈ 1
opalediatomées diatomées
Focalisation de la lumière par des frustules de diatomées
focalisation de la lumière sur les chloroplastes pour la photosynthèse
De Stefano et al. Optics express 15 (2007) 18082
iridescence
Les diatomées peuvent être utilisées comme ‘template’pour élaborer des nano-matériaux poreux
Juin 2009
cellule = réacteur chimique
?
Introduction d’éléments étrangers pendant la culture 35
‘photo’ & ‘electro’ luminescence bleue
Incorporation in vivo de germanium dans la silice des frustules
Nano-lasers
colorant
SiO2 + colorant
G.L. Rorrer et al. ACS Nano, 2008, 2, 2103-12
alimentation en Si puis Ti
Ti
Utilisation de diatomées vivantes pour déposer TiO2 sur les frustules
Pores recouverts d’un film de TiO2
La conductivité électrique de TiO2 augmente en présence de vapeurs d’éthanol
i
t(sec)
Capteurs de gaz
Cellules photovoltaïque à colorant : Graetzel
couple redoxI3
- / I -
Excitation photonique du coloranttransfert des électrons via TiO2
ππππ
π∗π∗π∗π∗e-
TiO2 colorant
électrode transparente
Grande surface de contact TiO2-colorantrendement plus élevé
40
Procédé ‘ BaSIC ’
Bioclastic and Shape-preserving Inorganic Conversion
Mg vapeur700°°°°C – 30 min
SiO2
MgO
Procédé ‘ BaSIC ’
Bioclastic and Shape-preserving Inorganic Conversion
TiO2
BaTiO3
BN
K.H. Sandhage et al. Nature, March 2007
SiO2 MgO + Si Si
HClMg
650°°°°C 4 h
de l’électronique à la photonique !
Culture facile
Contrôle génétique de la structure poreuse
Transformation en silicium
à l’école des diatoméesla chimie douce
fusion du sable à T > 1000°°°°Cdans l’eau à 20°°°°C
45
Synthèse des verres biogéniques
Dissolution de la silice par érosion des sols
acide silicique
Si(OH)4 SiO2 + 2H2O
Si - OH + HO - Si Si -O - Si + H2O
Formation de silice par condensation
Puis déposée à l’extérieur de la membrane pour former le frutule
SDV
Si(OH)4
SiO2
La silice est synthétisée au sein de la cellule dans des vésicules“ Silica Deposition Vesicles”
Formation du nouveau frustule en 1 à 2 heures
Division des diatomées
Division des diatomées
solution sol gel
Le procédé ‘sol-gel’
polymérisation minérale
Si(OH)4
SiO2
nm 10 nmmolécules oligomères colloïdes poudre
µµµµm
50
1845: J.J. Ebelmen, C.R. Académie des Sciences‘ sur une production artificielle de silice diaphane ’
1939: premier brevet de Schott Glaswerkedépôt de films minces sur verre par ‘dip-coating’
1959: commercialisation - revêtement sur vitrages
1981: premier congrès scientifique international
calorex pyran amiran
Historique
Mieux faire des matériaux connus
Elaboration directe à partir de la solution
Chimie douce = gain d’énergie (T < 1000°°°°C)
Contrôle chimique de la synthèse (morphologie, structure,…)
30
3. Powderless processing
mise en forme du matériau directement à partir de la solution
Nano-particules
membranes d’ultra-filtration
microfiltration10 – 0,1 µ
utrafiltration0,1 – 0,01 µ
© C. Guizard et al. JSST 2, 483 (1994) - KerapsepTM (Orelis-Rhodia)
Elaboration de fibres céramiques
fibres d’alumine
Navette ‘columbia’
SiO2 (Asahi Glass)
Saffil : Al 2O3-SiO2 (95-5 %)
extrusion
55
Trempage du substrat dans une solution de précurseurs
Trempage-retrait ou ‘dip-coating’
séchage trempage retrait
grandes surfaces
CEA – Le Ripault
1959 : rétroviseurs1964 : anti-reflets1969 : anti-caloriques(calorex, Irox)
Revêtements sol-gel sur vitrages
Premier brevetSchott Glasswerke (1939)
Vitrages pour l’automobile
Vitrages pour le bâtiment
Panneaux solaires
Revêtements sur des surfaces courbes
lentille
pare-brise
rétroviseur
Enduction centrifuge(spin-coating)
© CEA
Procédé Spray-coating © SNL
Dielectric layers in Pentium MCM-LD
60
Revêtements sol-gel sur substrats variés
métauxpolymères
textiles
ormocer
silicium
10.000 m2 de surface optique à traiter par sol-gelantireflets, miroirs, polariseurs
Le Laser MegaJouleatelier sol-gel
Matériaux hybrides organo-minéraux
température ambianteprécurseurs métallo-organiquessolvants organiques
Chimie organique = chimie minérale
mise en forme par moulage - polissage
Toute une gamme de matériaux nouveaux, allant du verre fragile au polymère plastique
Optique sol-gel
colorant organique protégé dans une matrice minérale
nanocomposite à l’échelle moléculaire = transparence
Matech
luminescence - laser - optique non linéaire - photochromisme
350© Asahi-Kirin
Revêtements sur polymères
Revêtement anti-abrasion silice sur plastique
ABRASIL ®
Si - ORR’
OR
OR
SiO2
polymère
65
revêtement ‘anti-buée’
Revêtements hydrophobes
Si - ORR’
OR
OR
SiO2
Réalisation de motifs en relief
par estampage
Effet ‘lotus’
Encapsulation dans des billes creuses de silice sol-gel
pour éviter le contact avec la peau
suspension aqueuse contenant ≈≈≈≈ 40% particules
Crèmes solaires anti UV
Photodégradation des organiques
radicaux libres
1µm
Applications desMatériaux Hybrides
Micro Electronique
Revue : C. Sanchez B. Julian, P. Belleville, M. Popall. J. Mater. Chem. 2005 15, 3559
- Ciments dentaires- Biomatériaux- Vecteurs (principes actifs)- Bio-capteurs, biocatalyse- Cosmétique
- Capteurs- Séparation, membranes- Catalyse, (Photo)Catalyse
- Photovoltaïque- Piles à combustibles- Batteries
- Textiles- Articles de sport, automobile
Protection et Decoration
Pentium MCM-/LD (Ericsson/Acreo)
Réseaux de Microlentilleshybrides par embossage
Guide d’onde sursubstrat souple
Micro-optique
Emballage
Protection-allégement
Soins Dentaires
Beijing Zhang Saina Glass Technology
Grand théâtre National de Pékin
Semelles de fer à repasser
Hybrides organo-minéraux
70
Si(OH)4
Le développement des biotechnologies
nécessite de pouvoir immobiliser
les espèces biologiques actives
sur des supports solides
Procédés ‘sol-gel’ et biologie
Les enzymes conservent leurs propriétés catalytiques
leur activité peut même être augmentée (x 100)
Protection par la matrice de silice
≠≠≠≠ agression extérieure
≠≠≠≠ lixiviation
La silice condense autour de l’enzyme qui reste piégée dans une cage taillée à sa mesure
mobilité restreinte ≠≠≠≠ dénaturation du site actif
On peut jouer sur la nature chimique des pores pour optimiser l’activité enzymatique
Lipases
hydrolyse
estérification
pétrolesynthèse organique
agrochimiemédecine
R-COOR’ + H 2O R-COOH + R’OH
ester alcoolacideeau
L’enzyme fonctionne à l’interface entre deux phaseshydrophile et hydrophobe
ester
lipase
eau
L’ester n’est pas miscible à l’eau émulsion
Optimiser le fonctionnement des enzymesen contrôlant le milieu dans lequel elles travaillent
M. Reetz - Max Planck
Lipases sol-gelmatrice hybride
activité x 100
OH
R
OH
HO Si
R
HO
R
R
R
R
HOOH
OH
OH
silice hydrophile
OH
OH
OH
SiHO
ρρρρ ≈≈≈≈ 3%
HO
HO
OH
OH
OH
HO
HO
OH
Immobilized Enzymes
62272 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK on sintered glass. Cand. Antarc
62274 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK on sintered glass, Mucor miehei
62275 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK on sintered glass, Pseud. Fluor
62277 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK, from candida antarctica
62278 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK, from Candida cylindracea
62279 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK, from Pseudo-monas cepacia
62281 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK, from Asper-gillus niger
62282 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK,from Mucor miehei
62283 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK, from Pseudo-monas fluorescens
62319 Lipase, imm. On Eupergit C from Pseudo-monas fluorescens
62324 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK, from hog pancreas
62334 Lipase, imm. In Sol-Gel-AK on sint. Gl., Pseudom. Cepacia
Commercialisépar « Fluka »
Immobilized enzymes
75
Glucose Oxydase
Oxydation du glucose par l’oxygène moléculaire O2
diabète dosage du sucre dans le sang
Le procédé ‘sol-gel’ permet d’incorporer les bio-molécules dans un système de mesure électronique
C6H12O6 + O2 C6H10O6 + H2O2GOD
Dosage électrochimique de O2 C6H12O6 + O2
C6H10O6 + H2O2
GODelectrolyte (KCl)
cathode (Pt)
anode (Ag)film poreux
gel + GOD
porous film
électrode de Clark
4H+ + O2 + 4e- 2H2O
dosage optique via une double réaction enzymatique
HRP = Horse Radish Peroxidase
1oxydation du glucose via GOx
O2
Les deux enzymes sont piégées dans la matrice de silice
C6H12O6 + O2 C6H10O6 + H2O2GOx
2oxydation d’un colorant by H2O2 via HRP
H2O2 + X H2O + X*HRP
X*
X
HRP
dye
2 X*colored dye
gluconolactone
GOx
H2O2
glucose1
M. Lejeune et al. J. Am. Ceram. Soc. 89 (2006) 1876
hννννLED
dépôt par jet d’encre
spots = 150 µµµµmspacing = 300 µµµµm
J.D. Brennan et al. Chem. Mater. 15 (2003) 1803
La vie dans du verre !
Est-il possible de piéger des cellules vivantes dans
un gel de silice ?
80
première publication en 1989
G. Carturan et al.
Levures
Saccharomyces cerevisiae
Encapsulation de cellules
viabilitéactivité métabolique
?
Protection des bactéries par un additif organique ou biologique
Glycérol 10%
sans glycérol
bactéries
Si(OH)4
forte interaction cellule-silice
1 µµµµmSiO2
bactérie
glycérol
avec glycérol
bactéries+
glycerol
protection par une couche de glycérol
Formation de colonies
Viabilité des bactéries encapsulées
silice
silice + glycérol
0
20
40
60
80
100
1 15 30
viabilité %
jours
avec glycérol
Serratia marcescens
élabore un pigment rouge insoluble
la Prodigiosine
Le miracle de l’hostie qui saigne – Bolsena - 1263
Serratia marcescens
elle induit l’apoptose des cellules cancéreuse du colon
B. Montaner et al. Life Sciences 68 (2001) 2025
cellules cancéreuses
cellules saines
nM prodigiosin
nM prodigiosin
0 1600800
16000800
La prodigiosine présente des propriétés thérapeutiques
R’ = CH 3
R = (CH2)4-CH3
Prodigiosine
85
L’activité métabolique de la bactérie est améliorée
prodigiosine
silice + bactéries
nutriment
bioréacteur
la prodigiosine hydrophobe est éliminée de la silice hydrophile
au fur et à mesure qu’elle est produite par les bactéries
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0 1 2 3 4 5 6 7 8
jours
suspension gel
DO
(54
0 nm
)
Les bactéries sont isolées dans la matrice sol-gel
pas de communication chimique entre bactéries
10 µµµµ
microscopie optique MEB
Communication chimique entre bactéries
Homo Serine Lactones
Les molécules de quorum sensing contrôlent l’activité métabolique(bioluminescence, formation de biofilms, sporulation,production de pigments, …)
temps
SiO2 + QS
SiO2
H2O
7j
prodigiosine
temps
nutriment+ QS
gel +bactéries
Les molécules de Q.S. améliorent
la production de prodigiosine
100
viabilité %
0
20
40
60
80
1 30 jours
Glycérol
Les molécules de Q.S augmentent
la viabilité des bactéries
≈≈≈≈ 100% de bactéries restent viables après 1 mois
La nano-médecine
Le voyage fantastiqueCinq savantsminiaturisés
font un voyage fantastique
à travers le corps humain
les nanoparticules peuvent traverser les membranes cellulaires
Utilisation de nanoparticulescomme vecteur pour transporter
les principes actifs au sein des cellules
tumeur
sang
90
Élaboration de nanoparticules par voie aérosol
air
solution précurseurs
nanoparticulesgouttelettes
Pompeà vide
séchage ultra-rapide
≈≈≈≈ 350°°°°C
500 nm
100 nm
J. Brinker et al., Adv. Mater.1999, 11, 7.D. Grosso, C. Boissière, C. Sanchez et al.Adv. Funct. Mater. 2003,Chem. Commun.2003, 22, 2798.
Nano-vecteur
furtivité (PEG)
Les nanoparticules peuvent traverser
la membrane des cellules par endocytose
J. Allouche et al. J. Mater. Chem. 16 (2006) 3120
M.BoissiereM.Boissiereet alet al.. Int. J. of .. Int. J. of PharmaceuticsPharmaceutics20072007
Imagerie médicale
Visualisation in vivod’une tumeur de la prostate
avec des nanoparticules marquées par un anticorps spécifique
détecteur
detection
Nanoparticules à luminescence persistante
excitation avant injection suivi in vivo de la diffusion du colorant
Nanoparticules dopées avec desions de terres rares (Eu3+, Dy3+)
poumons
foie
95
UV
Photo-thérapie dynamique
Destruction d’une tumeur cancéreuse
hνννν
1O2
création de radicaux libres
Injection d’un photosensiblisateur
Libérer un principe actif au sein d’une cellule
Epifluorescence microscopy
libération in vivodu colorant dans les cellules
carboxyfluoresceine CF
‘drug release’
camptothécine
nanoparticule cellule cancéreuse
molécules hydrophobes
L’expansion - janvier 2004
N.P. Prasad (Buffalo University)
Nano-particules de silice pour le traitement du cancer
90
L’expansion - janvier 2004
IILes céramiques
les nacres et les coccolithes
Formation de la coccosphère par auto-assemblage de nanocristaux100
Les nacres
Briques + cimentCaCO3 + protéines
Contrôler l’assemblagedes briques
Les surfactants jouent le rôle de ‘ciment’
DHBC = Double Hydrophilic Block Copolymers
tête polaire
queue hydrophile
A
B
A se fixe sur la particule minéraleB contrôle l’auto-assemblage
tête polaire
queue hydrophobe
Double rôle des surfactants
Contrôler la croissance en se fixant sur les faces du nanocristal(limitation - morphologie - structure)
favoriser les associations inter-particules
Bloquer la croissance des nanocristaux
Organiser leur auto-association
mésocristaux
mésocristal
Contrôler l’auto-assemblagede nanocristaux
Auto-assemblage
monocristal
molécules
nanocristaux
La forme d’un cristal est gouvernée par sa structure
BaSO4
105
Mésocristaux de BaCrO4
Matériaux nano-structurésformés de l’assemblage de nano-cristaux
V2O5
oursin
ZnO
fleur
peigne
guirlande
Utiliser les micro-organismes pour élaborer nos matériaux
agent infectieux comportant 2 éléments
Génome: ARN ou ADN (simple ou double brin)
Capside: structure protéique qui entoure et protège le génome
Virus
capsidegénome
ARN
protéine
virus de la mosaïque du tabac
les virus se répliquent au sein de cellules vivantes
formes géométriques particulièresbâtonnet – sphère - icosaèdre
culture facile
110
55
A. M. Belcher et al. Science - 12 mai 2006
batterievirus
LED
Des nano-batteries plus puissantes grâce aux virus !
Batteries lithium ion
Réaliser une nano-électrode Co3O4grâce au virus M13
Oxide CarboneLi +
Co3O4 C
Problèmedifusion des ions Li+ dans l’oxyde
nanofils de Co3O4
6,6 nm
880 nm
Bactériophage M13
Virus en forme de bâtonnet
Objectif sélectionner les peptides susceptibles de
reconnaître de façon spécifique certains substrats
g3, g6g8g7, g9
5 peptides génétiquement modifiables
P7 – P9 P3 – P6P8
4 en bout (p9, p7, p6, p3)1 sur le corps (p8)
Virus formé d’un ADN simple brin entouré d’un manteau de protéines
Sélection génétique de ‘g8’ afin que p8 fixe de façon spécifique les ions Co2+
g3, g6g8g7, g9
Pour élaborer des fils d’oxyde de cobalt
p8
g3, g6g8g7, g9
115
sélection génétique du virus
réplication par des bactéries
facile à produire : 200 mg/litre
bibliothèque de phages
sélection
lavage
amplification
répétition
bibliothèque ≈≈≈≈ 109 peptides différents
New England BioLabs
Sélection génétique
Complexation des ions Co2+ l’acide glutamique
Selection against
cobalt ion
CoCl2
type 8 phage library
K17-Co2+
phage
Co2+
pH 7,5
Co2+
acide glutamique
H2N-CH-COOH
CH2
CH2
COO-
60
A. Belcher et al. Biomacromolecules 7 (2006) 14
Sélection du gène g8 pour que P8 fixe sélectivement les ions Cobalt
glutamate
Complexation des ions Co2+ par les fonctions carboxylates COO- du glutamate
Co2+
-OOC-
-OOC-
-OOC-
OOC-
OOC-
OOC-
OOC-
-COO
-COO
-COO
-COO
> Co2+Co2+ <
> Co2+Co2+ <
CoCl2
surface spécifique élevée : S = 142 m2/g
Co3O4
complexation des ions Co2+
par les fonctions COO- du glutamate
virus en suspension dans une solution aqueuse de CoCl2
traitement redox (O2 - NABH4)
précipitation de Co3O4 à la surface des virus
Co2+Formation de Co3O4
Les virus chargés négativementsont collectés sur
ou un film polymère positif
Auto-assemblage via la formation de phases ‘ cristal liquide ’
cathodeélectolyteanode
Le film (virus+oxyde) sert d’anodepour une batterie au lithium
avec virus
sans virus
capacité doublée ≈≈≈≈ 700mAh/g
120
Modification génétique du virus M13 pour former des fils hybrides Au-Co3o4
Sélection d’un peptide susceptible de fixer Au
Au
Co2+
cycle
capa
cité
(mA
h/g)
La capacité augmente de 30%
A. Belcher et al. Science, 22 mai 2009
FePO4 + nanotubes de carbone
Micro-batteries
batterievirus
LED
globules rouges
Polymer Virus BatteryMaterial
Élaboration d’une batterie sur support polymère
électrolyte polymère + suspension de virusformation d’un film virus-polymère plonger dans une solution de CoCl2
formation d’un film de Co3O4
10 cm
Il y a peu d’objets plus admirables que les délicates enveloppes siliceuses des diatomées.
N’ont-elles donc été créées que pour que l’Homme puisse les admirer ?
Chimie douce et matériaux bio-inspirés
finfinfinfin