Structure et propriétés des glycomatériaux

Les recherches menées concernent historiquement les polysaccharides à l’état solide semi-cristallin (la cellulose entre autres, mais également l’amidon et la chitine), leur morphologie, leur structure et leurs propriétés intrinsèques, leur organisation au sein des édifices naturels ainsi que leur utilisation en vue de concevoir de nouveaux matériaux fonctionnels via leur modification chimique et/ou leur auto-assemblage et/ou le développement de nouveaux procédés.

Les polysaccharides semi-cristallins sont organisés de manière hiérarchique au sein des structures naturelles sous forme fibrillaire lorsqu’ils ont un rôle structural (cellulose, chitine…) ou granulaire comme réserve énergétique (amidon). Leur biosynthèse, leur agencement au sein de ces structures, et leur organisation cristalline intrinsèque constituent des thématiques historiques de l’équipe qui restent très actives et qui se déroulent en collaboration avec des équipes de biologistes, biochimistes ou biomécaniciens.

Dans le cas particulier de la cellulose et la chitine, qui sont à la base de l’architecture de très nombreux organismes vivants (plantes terrestres, algues, champignons, crustacés, insectes, etc.), leur structure se présente sous forme d’objets allongés semi-cristallins dont au moins l’une des dimensions est nanométrique. In vivo, grâce à leurs propriétés intrinsèques et leur organisation structurale, ces polysaccharides cristallins assurent des propriétés physiques de résistance et d’adaptabilité aux contraintes mécaniques ou jouent un rôle dans la signalisation par la création de couleurs physiques, pour ne citer que quelques exemples. Les nanofibrilles de cellulose et de chitine qu’il est possible d’extraire de ces organismes, et les nanocristaux obtenus par leur fragmentation peuvent être manipulés in vitro et possèdent une large palette de propriétés qui en fait d’excellents candidats pour la conception de matériaux partiellement ou entièrement biosourcés. La maîtrise de leur obtention, de leur caractérisation et de leur manipulation est une des thématiques phares de l’équipe.

 Ces nanocelluloses ou nanochitines proviennent de ressources abondantes et renouvelables et sont biocompatibles, biodégradables et légères tout en offrant des propriétés mécaniques remarquables, ce qui en fait des briques de choix pour l’élaboration de matériaux innovants. Par ailleurs, ces nanoparticules biosourcées possèdent des spécificités physiques et chimiques uniques : chiralité, anisométrie marquée de forme et de propriétés. Ces objets sont aussi des colloïdes remarquables : leurs propriétés de surface peuvent être modulées physiquement ou chimiquement afin de faire varier leur stabilité colloïdale et leurs interactions dans différents milieux. De plus, leur orientation/organisation peut être modifiée en appliquant des champs extérieurs (électriques et magnétiques, cisaillement, ultrasons, etc.). Pour ces raisons, ils font l’objet d’un engouement en forte croissance de la part des chercheurs académiques mais également des industriels, comme en atteste l’évolution quasi-exponentielle du nombre de publications et de brevets dans le domaine ces dix dernières années.

Depuis quelques années s’ajoutent à ces thématiques historiques l’étude de polymères flexibles naturellement associés in vivo à ces polysaccharides cristallins (ex. hémicelluloses, pectines, lignine), le développement ou l’intensification de procédés physiques et chimiques (chimie en phase gaz, sonication par exemple) pour modifier les propriétés physiques ou chimiques des édifices naturels (ex.  bois), la modification d’oligosaccharides pour former de nouveaux objets par cristallisation, et la conception de matériaux hybrides associant ces objets biosourcés à des nanoparticules inorganiques d’intérêt. Par ailleurs, le développement de matériaux biomimétiques s’inspirant des architectures du vivant ou de structures naturelles améliorées tirant partie de leur organisation intrinsèque sont d’autres voies d’investigation.

Quelle que soit la thématique, l’objectif de l’équipe est de déterminer la structure du matériau afin d’établir les relations structure-propriétés. Pour cela, une approche multi-échelle est privilégiée. Elle consiste à identifier la structure, la morphologie et l’organisation de ces objets/matériaux depuis les échelles atomique et moléculaire jusqu’au niveau macroscopique en passant par les dimensions supramoléculaire et colloïdale.

Nos travaux de recherche se fondent sur des outils et concepts de champs scientifiques variés incluant la cristallographie, la biophysique, la science de la matière molle et des matériaux, la science des colloïdes et des polymères, combinés à de nombreuses techniques avancées d’imagerie, de spectroscopie, d’analyse thermomécanique et de modélisation: RMN du solide, spectroscopie infrarouge, diffusion et diffraction des rayonnements (en particulier sur les grands instruments), microscopies électroniques et à champ proche.

A travers ces thématiques et ces approches expérimentales, l’équipe interagit avec différentes communautés scientifiques (polymère et matière molle, biochimie et biologie, biomécanique et science du bois, génie des procédés, etc.) et noue fréquemment des contacts avec des industriels dans les domaines de la transformation de la biomasse, de la chimie de spécialité ou de la conception de matériaux composites ou fonctionnels.