La révolution permanente de la chimie
Les Echos
Publié le : 03 décembre 2007
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La chimie intégrative lance des matériaux à la complexité proche de ceux du monde vivant. Arme antitumeur, revêtements intelligents : les pistes sont nombreuses.
Plusieurs chimistes français ont publié en début d'année la fabrication de microsphères composites dotées de trois fonctions différentes contre les tumeurs. Des nanoparticules ferreuses servent d'agents de contraste pour l'imagerie à résonnance magnétique. Elles peuvent aussi être excitées à distance et brûler la tumeur. Les microsphères contiennent aussi des cavités extrêmement fines pour loger des molécules pharmaceutiques. L'assemblage de ces fonctions complexes fait appel à différents types de chimies et à la physico-chimie. La difficulté consiste à éviter l'agrégation des nanoparticules et à contrôler la taille, la géométrie et les propriétés de surface des cavités. Cette technologie entame maintenant les essais biologiques mais son application reste à long terme.
La chimie intégrative poursuit la longue mue de la science des molécules. Mal aimée pour les pollutions qu'elle a provoquées, la chimie ne cesse pourtant de se remettre en question depuis des décennies. Sa dernière création, la chimie intégrative, est une nanotechnologie qui ne dit pas son nom mais promet tout autant, jusqu'à risquer la même surenchère.
Dans les rares laboratoires à s'être lancés dans cette approche, les chimistes ont des étincelles dans les yeux. Rénal Backov, l'un des promoteurs de ce concept, y voit moins une rupture technologique qu'une synthèse de plusieurs disciplines. Depuis les années 1970, la chimie d'inter- calation de Jean Rouxel puis la chimie douce de Jacques Livage ont montré que de nombreuses synthèses de matériaux peuvent se faire à température ambiante et non plus aux hautes températures classiques, des fourneaux par exemple. Travailler à plus basse température permet de mieux contrôler les réactions et de mélanger des composés organiques et minéraux. Par ailleurs, la chimie supramoléculaire de Jean-Marie Lehn a su exploiter les liaisons faibles des atomes pour construire des assemblages de molécules, au-delà de la chimie traditionnelle de la molécule. La physico-chimie de la matière molle a de son côté exploré les textures de fluides complexes comme les mousses, les émulsions, les cristaux liquides, etc. La chimie intégrative cherche aujourd'hui à cuisiner avec tous ces ingrédients grâce à un livre de recettes jusqu'ici peu exploité : le génie des procédés.
Méthodes inversées
Avec cette boîte à outils, les chimistes inversent leur méthode de conception. Auparavant, ils partaient de la découverte d'une molécule pour imaginer des applications en chimie, en pharmacie ou dans les matériaux.
« Désormais, nous pouvons viser une fonction finale et sélectionner les bons matériaux et procédés. C'est un changement de mentalité »,
prévient Rénal Backov.
A Jussieu, dans le laboratoire de chimie de la matière condensée de Clément Sanchez, un monde complexe est en train d'émerger. Armes antitumeurs, matériaux biomimétiques, capteurs ultrasensibles, membranes et lentilles intelligentes, filtres, catalyseurs. Difficile d'imaginer dans ces locaux vétustes et gangrenés par l'amiante que surgissent avec quinze ans d'avance les objets du futur. Le parcours de ce chimiste résume à lui seul la genèse de la chimie intégrative. Après des débuts dans la chimie organique, il s'initie aux procédés dans l'industrie puis réalise sa thèse en chimie inorganique avant de se convertir à la chimie douce et de développer une véritable « ingénierie moléculaire » des matériaux hybrides. Son laboratoire a depuis recruté des biologistes. Pas étonnant, pour Rénal Backov,
« il faut s'attendre à voir fusionner cette chimie et les biotechnologies ».
Car le monde vivant reste le modèle de ces chercheurs. Clément Sanchez continue de s'émerveiller devant la diatomée, une microalgue qui s'entoure d'une incroyable coque de silice. Cet organisme se passe de nos fourneaux verriers en fabriquant à température ambiante un matériau assez solide pour le protéger des agressions mais très poreux pour laisser passer les fluides. Sans oublier sa transparence, indispensable à la photosynthèse de ce végétal.
« On ne comprend toujours pas comment elle fait »,
sourit Clément Sanchez. Une partie du secret de ces matériaux qu'on retrouve dans les os ou les dents est tout de même comprise.
« Ces matériaux sont extraordinaires car ils peuvent loger un nombre toujours plus grand de fonctions élémentaires dans un petit volume. Ils hybrident aussi des composantes minérales et organiques en associant les meilleures fonctions des deux mondes. Enfin, ces matériaux ont des structures organisées à plusieurs échelles, souvent nanométrique, micrométrique et millimétriques, voire à l'échelle macroscopique. Contrairement aux matériaux habituels structurés à une seule échelle, cela permet d'optimiser leurs propriétés. »
Beaucoup de créativité
Avec leurs nouveaux outils, les chimistes font preuve de beaucoup de créativité. Une imprimante à jet d'encre peut désormais servir à produire des géométries très fines en trois dimensions. Les buses remplies de tensioactifs impriment des réseaux de micelles, ces sphères qui piègent habituellement les graisses dans les savons. Ces micelles peuvent alors servir de moules pour des composés polymérisants. Les chercheurs utilisent aussi des aérosols pour former des microsystèmes à partir d'une solution de plusieurs ingrédients.
C'est ainsi que l'équipe de Jussieu a pu réaliser des particules tueuses de tumeurs (voir schéma). Les mousses permettent, elles, de produire des catalyseurs très réactifs. Elles génèrent de fortes porosités, donc de grandes surfaces actives, comme dans les poumons. Rénal Backov a par exemple réalisé des mousses de dioxyde de titane. Christian Serre à l'université de Versailles prépare des matériaux mésoporeux qui stockent une densité inédite d'hydrogène. Ces géométries peuvent aussi résulter de la minéralisation d'un composé moulé sur un substrat tapissé de petites billes de latex micrométriques. Parfois, c'est un gélifiant qui sert à créer des formes de nanotubes. D'autres fois, les chimistes recourent aux solvants.
Au niveau industriel, les composés hybrides simples ont déjà occasionné quelques produits. Essilor a réalisé des revêtements antirayures pour ses lentilles. La société Sol-Gel a développé des lotions antisolaires et antiacnéiques contenant des microcapsules pleines de principes actifs organiques. Ces coquilles traitent le follicule en protégeant l'épiderme. Les industriels utilisent aussi des revêtements aux fonctions hydrophobes, thermiques, abrasives... La microélectronique s'est saisie de ces matériaux pour réaliser des substrats souples de circuits. A plus long terme, des applications bien plus futuristes se dessinent. Les chercheurs rêvent d'imiter la capacité d'autoréparation des os par exemple.
L'industrie chimique, elle, est plus prudente comme chez Rhodia, le directeur scientifique Patrick Maestro :
« C'est assurément une chimie du futur, mais ces procédés sont beaucoup trop coûteux pour un industriel de la chimie minérale comme nous. »
Pour Clément Sanchez, ces recherches prendront effectivement encore du temps.
« La difficulté de nos expériences est de caractériser les matériaux. Leur grande complexité rend les mesures délicates. »
Un secteur toujours en mouvement
Les chimies traditionnelles :
- Chimie des matériaux : elle étudie les matériaux, généralement issus de procédés à haute température.
- Chimie inorganique ou minérale : étude des éléments chimiques sans squelette carboné, comme les minéraux.
- Chimie organique : c'est la chimie du carbone puisqu'elle vise la synthèse de molécules carbonées. C'est la chimie de la vie et des basses températures.
- Physico-chimie : domaine de la thermodynamique appliquée à la matière condensée et à la matière molle.
Les approches modernes :
- Chimie douce : procédés utilisant des températures de réaction plus basses. Elle permet d'élaborer des verres ou des céramiques directement à partir de solutions liquides et non plus avec des poudres. Les procédés sol-gel forment un réseau d'oxyde au voisinage de la température ambiante, ce qui permet d'associer chimie organique et chimie minérale, et de synthétiser des hybrides organo-minéraux.
- Chimie supramoléculaire : Jean-Marie Lehn a décroché le Nobel de chimie en inventant cette discipline. La chimie ne travaille plus à l'échelle de la molécule, mais de leur assemblage en supermolécule. Dans certaines conditions, les molécules parviennent à se connecter grâce aux liaisons faibles.
MATTHIEU QUIRET
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