|
|
Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces Associé au CNRS, UMR 7045 Directeur : Philippe Marcus
|
|
|
| |||||||
|
Update 20/02/10
|
Responsables : P. Marcus, V. Maurice
L’objectif des recherches menées sur ce thème est d’établir les relations, à l’échelle atomique et nanométrique, entre la structure et les premières étapes de réaction à l’interface métal/gaz. Le terme métal désigne ici la nature du substrat (métal pur ou alliage), dont la surface est soit à l’état métallique soit à l’état oxydé obtenu par une oxydation contrôlée par voie thermique. Ce thème inclut l’étude des mécanismes de croissance, de la structure et de l’hydroxylation de films minces d’oxydes formés thermiquement par réaction en phase gazeuse sur des monocristaux métalliques. L’adsorption moléculaire ou dissociative de petites molécules inorganiques ou organiques ainsi que leur co-adsorption est étudiée sur des surfaces métalliques modifiées ou non par des couches adsorbées ou des films ultra-minces d’oxyde. Au cours de la période 2004-2007, la laboratoire a poursuivi des recherches sur les couches d’oxydes pour l’intercalation du lithium, ayant des applications dans le domaine des micro-batteries. Nous illustrons les travaux de cette thématique par le fait marquant suivant.
Responsable : P. Marcus
L’électrochimie des surfaces et la corrosion constituent une thématique forte du laboratoire. L’utilisation d’électrodes monocristallines d’orientation cristallographique bien définie est à la base des travaux réalisés au laboratoire sur ce thème. Les mesures électrochimiques réalisées sur des surfaces métalliques monocristallines permettent de déterminer la relation entre la structure de la surface à l’échelle atomique, et son comportement électrochimique : phénomènes de polarisation (nanocondensateurs, potentiel de charge nulle), adsorption d’hydroxyles. L’une des originalités des recherches effectuées au laboratoire sur le thème de la corrosion des métaux et alliages réside dans l’approche des phénomènes de corrosion à l’échelle atomique ou moléculaire, et la réalisation de la jonction entre la compréhension des mécanismes à cette échelle et les manifestations macroscopiques de la corrosion. Au cours de cette période de contractualisation, un bon équilibre et une bonne complémentarité entre les recherches à caractère fondamental et les recherches finalisées réalisées en partenariat avec des industriels a été maintenu. Le LPCS a poursuivi, au cours de la période 2004-2007 des recherches sur les propriétés d’intercalation des couches minces d’oxydes et sur les mécanismes de vieillissement et de dégradation de ces couches d’oxydes. C’est un domaine dans lequel les compétences du laboratoire peuvent être mises à profit. Nous illustrons les travaux de cette thématique par le fait marquant suivant.
Responsables : I. Frateur, A. Galtayries Dans les actions scientifiques de ce thème sont abordées les questions liées à la caractérisation de biomatériaux (composition de surface, résistance à la corrosion), à l’interaction de surfaces métalliques ou oxydées avec des biomolécules (protéines telles que l’albumine et la fibronectine), et à la compréhension des interactions entre protéines et cellules osseuses ou protéines et bactéries. Les recherches menées sur ces sujets vont des plus modèles, caractérisation de surfaces d’alliages de micro-structure contrôlée, caractérisation de surfaces de métaux et alliages après stérilisation, adsorption d’albumine sur chrome et sur acier inoxydable ferritique à différents pH, avec ou sans chlorure et différents modes opératoires, à l’adsorption de fibronectine sur Cr, FeCr, Ti, TiZrNi dans des conditions biologiques (37°C, pH 7) jusqu’à la caractérisation de surfaces en présence de micro-organismes, et l’étude de la résistance à la corrosion d’alliages commerciaux de fils orthodontiques. Quatre aspects de ces recherches ont connu un développement important depuis 2004 : - la caractérisation des couches de biomolécules adsorbées, des couches d’oxydes et du métal sous-jacents, à haute résolution par spectroscopie électronique XPS, - le suivi in situ de l’interaction de protéines avec des surfaces métalliques de Ti et de Cr par microbalance à quartz sous contrôle du potentiel (EQCM), - l’étude de l’interaction de fibronectine avec des surfaces de métaux et d’alliages et de polystyrène, dans des conditions biologiques, et les essais de croissance cellulaire sur ces surfaces, en collaboration avec l’équipe Biomatériaux et Biocompatibilité de l’UMR 6600 de l’UT Compiègne, dans le cadre du PNIR CNRS Biofilms, - l’étude de la réactivité de la surface de nouveaux matériaux base titane, nanostructurés, en collaboration avec l’INSERM (Paris) et des équipes internationales. Ces recherches ont démarré avec le rattachement de l’équipe de métallurgie structurale de l’ENSCP (janvier 2005).
Nous illustrons les travaux de cette thématique par le fait marquant suivant.
Responsables : D. Costa, B. Diawara Cette thématique constitue maintenant une thématique autonome qui couvre à la fois les différentes méthodes de modélisation (simulation atomistique, méthodes quantiques DFT et semi empiriques, calculs de structure électronique et de spectres IR et XPS) et les domaines d’application en relation étroite avec les études expérimentales réalisées au sein du laboratoire (corrosion de surfaces métalliques, rupture localisée de la passivité, adsorption et coadsorption de petites molécules sur des surfaces métalliques ou oxydées, interaction entre biomolécules et surfaces d’oxydes). Nous illustrons les travaux de cette thématique par le fait marquant suivant.
Modélisation Ab Initio de la Réactivité de Surfaces d’Oxydes : Dominique Costa Les surfaces d’oxydes les plus fréquemment rencontrées en milieu industriel (notamment matériaux biocompatibles) ou naturel (SiO2, oxydes et oxyhydroxydes d’aluminium, Fe2O3, Cr2O3, ZnO, TiO2, MgO) sont modélisées par des outils ab initio, incluant la dynamique moléculaire ab initio. Notamment, nous disposons de modèles représentatifs de la surface de silice amorphe, de nanofibres de boehmite, ainsi que des surfaces hydroxylées et hydratées des oxydes considérés. Nous nous intéressons à la réactivité de ces surfaces vis-à-vis de molécules de petite taille comme NH3, hydrazine, petites molécules organiques (amines, acides organiques), acides aminés, en rapport avec les traitements de surface, la fonctionnalisation, la biocompatibilité et la biocorrosion. Une approche de thermodynamique atomistique permet de prendre en compte les potentiels chimiques des phases gaz ou liquide et de proposer des diagrammes de phase incluant la température et pression des réactifs. La réactivité des oxydes à l’interface solide-liquide est explicitement abordée par dynamique moléculaire ab initio. Enfin, les propriétés électroniques et spectroscopiques (IR, XPS) sont calculées et comparées aux données expérimentales. Cette démarche nous permet de décrire, expliquer et prévoir les réactivités de molécules organiques et biologiques aux interfaces organique-inorganique. Le laboratoire est hôte d’accueil de projets Européens HPC, voir le site http://www.hpc-europa.org/ Nous illustrons ces travaux par le fait marquant suivant.
Responsable : K. Ogle L’intérêt de ce thème porte sur les fonctionnalités d’une surface métallique qui peuvent être obtenues par des revêtements métalliques, minéraux ou organiques. La stratégie est de comprendre le fonctionnement en termes des mécanismes physico-chimiques afin de définir des cibles pour la conception des nouveaux revêtements et traitements de surfaces. La réalité industrielle des traitements de surfaces est très lourde et nécessite des pilotes à très grandes échelles. Notre mission est en amont de cette réalité - fournir les clés fondamentales, les consignes, et les cibles nécessaires pour le développement des nouveaux produits fonctionnalisés à haute valeur ajoutée. Ceci nécessitera une collaboration étroite avec les industries de la métallurgie, du traitement de surfaces, des revêtements organiques et polymères, ainsi que les utilisateurs des produits finalisés (automobile, bâtiment, …) Des collaboration avec d’autres équipes de recherche publique et privée orientées vers les procédés plasma, sol-gel, électrodéposition, sont nécessaires. Nous illustrons les travaux de cette thématique par le fait marquant suivant.
Responsable : P. Vermaut rattachement à l'UMR au 1er janvier 2005.
Les matériaux métalliques, largement utilisés pour leurs propriétés structurales, peuvent avoir aussi d’intéressantes propriétés fonctionnelles et ceci constitue le thème principal de notre activité. Ces propriétés fonctionnelles sont contrôlées de deux manières, soit par une transformation de phase, la transformation martensitique dont les caractéristiques dépendent très fortement de la microstructure ; soit par l’état structural particulier du matériau, l’état amorphe ou le mélange amorphe-nanocristaux. Dans la première catégorie, la transformation martensitique confère aux alliages des propriétés singulières, l’effet mémoire simple ou double et la superélasticité ce qui fait de ces matériaux des candidats sérieux pour la réalisation d’actuateurs, dispositifs capables de réaliser une action par changement de température. Afin d’ajuster les températures à la gamme imposée par l’application (domaine des basses et moyennes températures pour les applications dentaires, automobile et électrotechnique ; domaine des hautes températures pour l’industrie aéronautique), nous pouvons jouer sur la microstructure et sur la composition chimique. La superélasticité obtenue dans les alliages Ti-b métastables dont la composition chimique exclu le nickel, élément non biocompatible, pourrait les conduire à terme, à remplacer les alliages à mémoire de forme base TiNi dans des applications médicales. Dans la seconde catégorie, les verres métalliques possèdent d’intéressantes propriétés, comme par exemple une haute résistance mécanique par rapport à l’analogue cristallin. Bien que, ces verres soient dans un état très éloigné de l’équilibre et donc difficiles à obtenir (très grande sensibilité à la composition chimique et au mode d’élaboration), ils constituent un domaine de recherche en physique des alliages particulièrement intéressant. En outre, dans le domaine de liquide surfondu, ces alliages présentent la propriété de superplasticité ce qui conduit à une gamme de températures où la mise en forme est aisée (verres métalliques précurseurs d’alliages à mémoire de forme peu ductiles). L’état amorphe est aussi une excellente base pour le contrôle de la microstructure par traitement thermique de cristallisation (nanostructuration). L’alliance des deux aspects précédemment décrits, concerne les alliages b-métastables base-Ti qui sont d’excellents candidats pour les applications en prothèse. Leurs surfaces peuvent être dans un état nanostructuré (amorphes avec des nano précipités quasicristallins et cristallins) qui diffère de l’état microstructural du massif (cristal b-a) dont le comportement mécanique associé se rapproche des caractéristiques de l’os. La question est alors de connaître le comportement des surfaces vis-à-vis du milieu biologique et en particulier des cellules osseuses. La démarche du groupe de métallurgie
structurale consiste, pour ces alliages, à contrôler l’ensemble des étapes :
le choix de la composition, l’élaboration par des méthodes conventionnelles
et non conventionnelles (solidification rapide), l’ensemble des traitements
thermomécanique et de mise en forme, la caractérisation structurale et
thermodynamique et enfin les propriétés mécaniques et de biocompatibilité. Nous illustrons les travaux de cette thématique par le fait marquant suivant.
 |
Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - 11 rue Pierre et Marie Curie - 75231 Paris cedex Tél : +33 1 44 27 67 38 - Fax : +33 1 46 34 07 53 |
