AXES DE RECHERCHE

Dans la vaste thématique des matériaux fonctionnels, le CQMF-QCAM concentre ses activités autour de trois axes de recherche fondamentale, la chimie des polymèresl’auto-assemblage moléculaire et les nanosciences, permettant ainsi de développer des matériaux, des dispositifs et des technologies répondant à des besoins spécifiques de notre société, représentés par ses axes de recherche appliqués: les applications biomédicalesénergétiques (énergie) et développement durable.

Chimie des polymères

Le CQMF/QCAM regroupe les forces vives du Québec dans le domaine de la synthèse “sur mesure” de polymères fonctionnels. Ceux-ci se distinguent des polymères classiques par la combinaison de propriétés optiques, électriques, magnétiques, catalytiques, d’autoassemblage ou autres aux propriétés mécaniques des matériaux macromoléculaires. Les chercheurs du Centre développent de nouveaux outils synthétiques afin de fabriquer des polymères bien définis avec des architectures contrôlées.

Polymères bioactifs et biocompatibles

Il est possible d’utiliser les propriétés remarquables d’auto-assemblage de l’ADN pour fabriquer sur mesure des architectures moléculaires qui peuvent, entre autres, être utilisées comme cargos moléculaires pour diverses applications dans le domaine biomédical. Dans le même ordre d’idée, des structures polymériques peuvent être utilisées pour le transport et/ou le relargage et la libération contrôlée d’agents thérapeutiques. Des monomères d’origines biologiques peuvent également être utilisés afin de générer des matériaux biocompatibles pour fabriquer des prothèses ou des implants utilisés en chirurgie et en dentisterie.

Polymères biodégradables et composés écologiques

Les chercheurs du Centre possèdent une expertise exhaustive dans le domaine des dérivés de la cellulose et de la nanocellulose. Ces polymères, connus et étudiés depuis des décennies, sont maintenant intégrés dans des dispositifs de haute technologie, comme des substrats pour l’électronique imprimée et des agents augmentant la résistance de vernis et autres finis de surface dans des applications industrielles. Toujours dans le cadre du développement de polymères écologiques, les travaux sur les polylactides laissent présager des matériaux biodégradables aux usages multiples. En parallèle, les travaux portant sur de nouvelles synthèses “vertes” de polymères d’ingénierie permettent le développement de matériaux moins chers et moins nocifs pour l’environnement.

Polymères électroactifs et photoactifs

Les chercheurs du Centre travaillent à la mise en place de nouvelles méthodes de préparation de polymères électroactifs qui n’utilisent aucun dérivé organométallique. Ces matériaux, par conséquent plus purs, donnent des performances optimales en électronique organique. Le CQMF/QCAM est également un leader mondial en ce qui a trait au développement de nouvelles approches synthétiques pour des matériaux bidimensionnels analogues au graphène. Ces matériaux seront analysés dans divers dispositifs électroniques grâce à des collaborations entre les physiciens et les ingénieurs du Centre. Ces dispositifs sont essentiels pour le développement de nouvelles piles photovoltaïques et matériaux d’électrodes et s’intègrent bien à l’axe de recherche portant sur les matériaux fonctionnels pour les applications énergétiques.

Matériaux hybrides

Les chercheurs du CQMF/QCAM travaillent également sur des matériaux hybrides aux propriétés optiques et catalytiques uniques, tels que les polymères organométalliques présentant de remarquables propriétés de fluorescence et de phosphorescence et qui peuvent être utilisés dans des diodes électroluminescentes. Le développement de matériaux hybrides mésoporeux pour diverses applications d’adsorption et catalytiques est également réalisé. De plus, le Centre est en mesure d’assurer l’aspect modélisation moléculaire de ces travaux, qui est soutenu par des approches théoriques et multiéchelles. Le domaine des polymères fonctionnels est donc en plein essor et les domaines d’applications sont nombreux.

Nanosciences

La manipulation précise et la caractérisation de la matière à l’échelle du nanomètre et voir même de l’atome est une révolution scientifique qui mènera à des percées technologiques significatives. L’une de forces des nanosciences est qu’elles intègrent à la fois des niveaux fondamentaux et appliqués et favorisent le travail collaboratif faisant intervenir simultanément de nombreuses disciplines scientifiques (chimie, physique, biologie, ingénierie, etc.) accélérant ainsi le niveau d’innovation dans ce domaine. Par conséquent, une grande majorité de membres sont impliqués dans la synthèse et la caractérisation de nouveaux nanomatériaux innovants, lesquels reposent sur les connaissances fondamentales acquises en nanoscience. La synergie des groupes de recherche en conception d’architecture moléculaire et en caractérisation avancée permet de construire des nanomatériaux et d’en comprendre les propriétés physicochimiques intrinsèques et fonctionnelles.

Nanomatériaux

Les nanomatériaux, incluant les nanomatériaux de carbone (graphène, nanotubes de carbone, nanoparticule de carbone), les nanoparticules métalliques, les points quantiques et les structures mésoporeuses de silice sont au coeur du développement des nanosciences. Au CQMF/QCAM, de nouvelles méthodes de synthèse ascendantes “bottom-up”, hybrides et descendantes “top-down” de ces nanomatériaux sont développées afin de les rendre plus performants et adaptés pour des applications industrielles spécifiques. Afin d’en optimiser les paramètres, les instruments de caractérisation de pointe du Centre sont mis à la disposition des membres, accélérant ainsi l’étude des propriétés fondamentales de ces nouveaux matériaux.

Architectures biomimétiques

Les nanosciences ont démontré leur potentiel dans le domaine biomédical. Par exemple, les matériaux polymériques sont employés dans de nombreuses applications en science de la vie notamment en nanovectorisation actives de médicaments, en régénération tissulaire et pour la fabrication d’implants biodégradables. La diversité structurale de macromolécules allant de l’ADN, au copolymère bloc jusqu’aux architectures hyperbranchées, ainsi que la variété de groupements fonctionnels élaborés par les chercheurs du Centre offrent de nouvelles avenues dans le développement de structures biomimétiques requérant des surfaces bioactives, de la reconnaissance moléculaire ou des assemblages biocompatibles.

Nanoparticules fonctionnelles

Afin de permettre des avancées en matière de prévention et de traitement du cancer, des maladies infectieuses ou d’autres pathologies, il est essentiel de développer des matériaux pour des applications nanothéranostiques qui nécessitent un transfert des nanomatériaux vers le patient. Les chercheurs du Centre utilisent les nanosciences pour développer des matériaux fonctionnels ayant la capacité d’incorporer une composante thérapeutique ou utilisant des phénomènes à l’échelle du nanomètre permettant de fabriquer des dispositifs et des matériaux dédiés aux applications énergétiques telles que les cellules photovoltaïques, les piles à combustible et les batteries. Les nanosciences peuvent également servir à développer des systèmes membranaires ou des réacteurs servant à la purification de l’air ou de l’eau, et des senseurs chimiques permettant de suivre la qualité d’un environnement.

Auto-assemblage moléculaire

Un des grands défis de la science des matériaux est de comprendre comment la structure atomique d’une molécule peut influencer les propriétés macroscopiques et de surface d’un matériau. Le design rationnel de nouveaux matériaux et dispositifs fonctionnels requiert une maitrise et une compréhension des corrélations entre la structure et les propriétés, ainsi qu’une capacité à organiser les molécules dans les matériaux. La sélection de composantes moléculaires pouvant interagir spontanément pour générer des assemblages complexes ayant des propriétés spécifiques est une approche que la nature utilise afin d’obtenir des structures fonctionnelles. Le phénomène d’auto-assemblage est d’ailleurs reconnu comme étant un outil puissant pour générer de nouvelles structures moléculaires et le CQMF/QCAM est un leader mondial dans ce domaine.

Contrôle des interfaces

Les chercheurs utilisent les monocouches auto-assemblées pour modifier les propriétés physiques et chimiques des surfaces afin d’adapter leurs interactions avec l’environnement. Ces assemblages sont utilisés afin de contrôler la taille, la forme, la miscibilité, les propriétés physicochimiques des nanoparticules, ce qui permet le développement de nouvelles applications entre autres en plasmonique, en cristallisation, en catalyse hétérogène et dans le domaine des cristaux liquides. L’auto-assemblage de lipides et l’interaction de ces structures avec d’autres molécules sont également utilisés en tant que modèle d’étude d’interfaces biologiques. Les interfaces réactives et adaptatives à certains stimuli chimiques, biologiques et optiques ainsi que les surfaces fonctionnelles nanostructurées peuvent être générées par l’auto-assemblage de ces polymères.

Assemblage “bottom-up” de nanostructures

L’assemblage de structures moléculaires à partir de nanomatériaux est une thématique de recherche en plein essor qui démontre bien la synergie entre les axes de recherche du CQMF/QCAM, ainsi que le rôle central de la chimie dans le développement de matériaux avancés et des nanosciences. La compréhension des phénomènes biomoléculaires sert d’inspiration afin de concevoir des nanomatériaux auto-assemblés en utilisant comme “building blocks” des oligonucléotides, des peptides ou des protéines. Ces travaux ont généré une impressionnante famille de  nanostructures d’ADN (“DNA nanotechnology”), de nanotubes peptidiques et d’échafaudages permettant l’assemblage de nanoparticules métalliques. En complémentarité, d’autres chercheurs utilisent le concept de reconnaissance moléculaire pour développer de nouveaux “building blocks” pour générer des surfaces nanostructurées définies avec une résolution inférieure au nanomètre.

Ingénierie cristalline des solides

La cristallinité des solides est étudiée activement par les chercheurs du Centre par l’utilisation de nouveaux concepts supramoléculaires (tels que la chimie covalente dynamique), d’approches synthétiques émergentes (incluant la mécanochimie) et de chimie computationnelle. Des molécules optoélectroniques sont utilisées afin de générer des cristaux présentant de nouvelles propriétés semiconductrices et photoactives. L’ingénierie de co-cristaux a également permis le développement de nouveaux matériaux présentant des propriétés optoélectroniques améliorées. De plus, le design de nouveaux polymères covalents (2D et 3D) et de structures métallo-organiques a comblé l’écart entre les matériaux moléculaires à faible liaison et les matériaux covalents. De nouvelles technologies pour la séparation et le stockage des gaz, la catalyse et les matériaux de batteries en découleront forcément.

Cristaux liquides et verres moléculaires

La compréhension du phénomène d’auto-assemblage permet, en plus de générer des matériaux fonctionnels organiques et hybrides, de produire des matériaux qui résistent à la cristallisation. La fluidité des cristaux liquides et leur réponse aux stimuli est la principale raison de leur utilisation dans la conception de dispositifs d’affichage et autres technologies matures, mais de nombreux autres types de cristaux liquides sont en cours de développement. L’incorporation de nanoparticules fonctionnelles dans des cristaux liquides promet de combiner le meilleur des deux mondes en permettant le contrôle de l’ordre à grande distance des nanoparticules. Les membres du CQMF/QCAM sont d’ailleurs des leaders mondiaux dans l’étude de ces matériaux et de leurs applications.

Matériaux fonctionnels pour les applications biomédicales

Cet axe de recherche vise à développer, mettre au point et caractériser de nouveaux matériaux pour des applications médicales. Les matériaux qui font l’objet des travaux des chercheurs du Centre permettent de réparer, remplacer, ou régénérer des tissus, organes  ou systèmes du corps humain, en utilisant des matériaux synthétiques, hybrides synthétiques/biologiques, ou entièrement biologiques. Dans cette optique, les recherches s’orientent autour de trois thématiques principales à savoir le développement de matériaux fonctionnels:

  1. pour le diagnostic ;
  2. pour la thérapie curative et;
  3. pour larégénération des tissus, organes ou fonctions du corps humain.

 Matériaux pour le diagnostic

Ce thème vise le développement de matériaux qui sondent spécifiquement certains systèmes ou organes du corps humain pour identifier ou comprendre l’origine des pathologies et suivre leur évolution dans un objectif de diagnostic. On pense, par exemple, à la conception de molécules qui permettent d’étudier des problèmes pharmacodynamiques et pharmacocinétiques de pathologies telles que le cancer, les infections virales ou l’hypercholestérolémie. De plus, la synthèse de nanoparticules métalliques ou dopées qui ciblent spécifiquement des pathologies ou améliorent la qualité des images obtenues dans différentes modalités d’imagerie médicale est réalisée. Les chercheurs travaillent également au développement de nanosondes pour l’imagerie cellulaire et à l’utilisation de monocouches peptidiques pour la détection de ligands biochimiques par résonance de plasmons de surface.

Matériaux pour les thérapies curatives

Le traitement de pathologies peut se faire par l’utilisation de matériaux fonctionnels développés pour s’attaquer à des cibles spécifiques. Les travaux portent sur l’utilisation de nanoparticules d’or pour permettre une meilleure pénétration des médicaments ophtalmiques à travers la cornée et la reconstruction d’équivalents cutanés psoriasiques servant à concevoir des vecteurs de transport de médicaments spécifiques à cette pathologie. Les travaux sur les dendrimères et la fonctionnalisation de vecteurs permettant de libérer spécifiquement des agents médicamenteux au sein d’organes et de tissus malades sont reconnus internationalement. La mise au point de matériaux qui ont la capacité de répondre à des stimuli externes, tels qu’une augmentation de température ou de pH, permet de contrôler la forme de ces nanovecteurs, l’organisation des nanopores qu’ils contiennent ou augmentant le relargage de médicaments encapsulés.

Matériaux pour la régénération des tissus, organes ou fonctions du corps humain

Ce thème regroupe les projets ayant pour objectif la réparation ou le remplacement de tissus ou d’organes du corps humain. Par exemple, le développement d’alliages biodégradables qui présentent des caractéristiques mécaniques adéquates permet de rétablir le diamètre d’artères athérosclérotiques ou d’urètres sténosées. Des travaux ayant pour objectif d’apporter des solutions au traitement du diabète en développant des matériaux fonctionnels pour encapsuler des îlots pancréatiques et des matériaux biomimétiques pour le traitement des maladies vasculaires sont également en cours. Les chercheurs utilisent des stratégies de modification et de fonctionnalisation de surface pour construire des patrons peptidiques pour promouvoir l’adhésion, la prolifération et la différenciation de cellules (matures ou souches) pour des applications vasculaires et des échafaudages biologiques pour reconstruire des vaisseaux sanguins dans des bioréacteurs.

Matériaux fonctionnels pour les applications énergétiques

Cet axe de recherche regroupe la synthèse, le développement, la caractérisation et la mise au point de nouveaux matériaux fonctionnels pour les technologies énergétiques. Le développement de nouvelles technologies dans ce créneau permet d’accroître le leadership du Québec: nouvelles piles photovoltaïques et à combustible, matériaux fonctionnels pour le stockage d’énergie et d’hydrogène et conception de dispositifs adaptatifs. Ces travaux sont généralement réalisés en collaboration impliquant, dans la plupart des cas, plusieurs chercheurs du Centre et de partenaires industriels.

Piles à combustible à basse température

Le fonctionnement d’une pile à combustible repose sur une réaction de combustion électrochimique contrôlée qui assure en une seule étape le passage de l’énergie chimique à l’énergie électrique et permet une production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur. Elle constitue donc une alternative aux méthodes actuelles de génération d’énergie. Ce thème vise au développement de matériaux fonctionnels pour les piles à combustible, soit la conception de catalyseurs et de membranes pour les piles à combustible à électrolyte polymère. Les combustibles généralement utilisés sont l’hydrogène, le méthanol, l’éthanol et l’acide formique. Des travaux sont également réalisés dans le domaine des biopiles à combustible et de nouveaux supports pour les catalyseurs.

Systèmes de stockage de l’énergie

Le stockage électrochimique de l’énergie est présentement un domaine dans lequel plusieurs chercheurs du CQMF/QCAM sont impliqués, principalement en raison de son importance pour l’électrification des transports. Ceci se reflète par les divers projets en collaboration effectués en partenariat avec des industriels par plusieurs chercheurs du Centre. Les divers modes de stockage étudiés sont les piles lithium-ion, métal-air, ainsi que les supercapacités électrochimiques. Les chercheurs s’intéressent aux nouveaux matériaux de cathode pour les piles au lithium, aux nouveaux électrolytes comme les liquides ioniques pour les piles au lithium et les supercapacités électrochimiques, au développent de nouveaux matériaux tels que les oxydes métalliques et les carbones modifiés sous diverses formes pour les supercapacités électrochimiques et finalement, les microsupercapacités électrochimiques.

Piles solaires organiques et inorganiques et piles solaires électrochimiques

Ce thème regroupe des projets de conception, de caractérisation et d’utilisation de matériaux fonctionnels pour la réalisation de nouvelles piles solaires. Les piles solaires photovoltaïques et électrochimiques convertissent directement l’énergie du soleil en électricité. Ces dispositifs propres présentent des caractéristiques intéressantes afin de permettre une utilisation économique et à grande échelle pour des applications stationnaires et portables. Malgré leurs avantages, un coût de fabrication élevé limite leur déploiement à grande échelle. Pour pallier ce problème, les piles solaires à base de matériaux organiques et inorganiques sont développées. Les chercheurs s’intéressent aux matériaux organiques pour fabriquer des piles solaires toutes plastiques et développent également des composés inorganiques à base de sulfures de métaux ainsi que des électrolytes spécifiques aux piles solaires.

Production et stockage de l’hydrogène

Ce thème regroupe des projets ayant pour objectif la production et le stockage de l’hydrogène. Pour assurer l’essor d’une économie de l’hydrogène, il est impératif de développer des moyens de production efficaces (ex. l’électrolyse de l’eau) et peu coûteux ainsi que des moyens de stockage de l’hydrogène ayant une grande capacité d’absorption, des cinétiques d’absorption/désorption rapides, une température d’opération de moins de 100°C et un faible coût. L’étude des hydrures métalliques et le développement de nouveaux alliages binaires et ternaires à base de magnésium fait l’objet de travaux, tout comme la structure poreuse métal-composé organique nécessaire au stockage des gaz. Nous avons également comme objectif de développer des procédés économiques et efficaces pour la conversion de résidus organiques en hydrogène et l’élaboration de méthodes de capture et de stockage pour le développement et l’expansion d’une source d’énergie durable.

Économie d’énergie

Ce thème porte sur le développement de nouveaux matériaux et de dispositifs à base de polymères conducteurs, tels les diodes organiques électroluminescentes et le domaine de l’électronique imprimable, requérant moins d’énergie que les dispositifs traditionnels pour leur fabrication et leur fonctionnement.

Matériaux fonctionnels pour le développement durable

Le développement de nouveaux matériaux fonctionnels offre un fort potentiel d’augmenter la compétitivité du Québec à l’échelle internationale. Toutefois, la capacité à produire ces matériaux de manière à avoir un impact minimal sur l’environnement représente une valeur ajoutée considérable à leur essor. Dans cette optique, les travaux de recherche du CQMF/QCAM ne se doivent pas seulement d’être produits de façon écologique, ils doivent également présenter des retombées sur les plans du développement durable et des technologies environnementales. Cette thématique est donc complémentaire à l’axe portant sur les technologies énergétiques alternatives décrites précédemment.

Développement de nouveaux matériaux à partir de sources renouvelables

Les biopolymères comme la nanocellulose peuvent être utilisés dans la conception de films ou d’emballage, de substrats pour l’électronique imprimée, de nouveaux matériaux composites pour l’industrie de la construction, ainsi que d’additifs pour les peintures, les vernis, les encres ou les cosmétiques. Les chercheurs du CQMF/QCAM utilisent ces molécules biosourcées en tant qu’agents émulsifiants, stabilisateurs ou réducteurs. Un hydrogel ultrarésistant a récemment été synthétisé en utilisant des cristaux de nanocellulose et laisse présager un fort potentiel dans le développement de filtre pour le traitement des eaux usées. D’autres groupes se concentrent sur le développement d’adsorbants pour la séquestration des gaz, de bioécomatériaux à base de plantes à croissance rapide et sur la valorisation du byssus de la moule.

Synthèse “verte” de nouveaux matériaux fonctionnels

Plusieurs groupes de recherche du CQMF/QCAM développent des méthodes propres et demandant peu de ressources énergétiques pour le développement de nouveaux matériaux fonctionnels. Ces méthodes dites “vertes” requièrent une approche multidisciplinaire faisant appel à des chimistes théoriciens et expérimentalistes, des physiciens et des ingénieurs de procédés afin de passer de la preuve de concept à la mise à l’échelle. L’optimisation des réactions biologiques et de catalyse et l’utilisation de réactifs non-toxiques faciles à obtenir à partir de ressources renouvelables permet de générer ces nouveaux matériaux fonctionnels sans avoir à utiliser des quantités considérables de solvants et d’additifs.

Matériaux pour la réhabilitation d’environnements contaminés

Le développement de matériaux pour le traitement d’environnements contaminés, par exemple les “nanoscale zerovalent iron particles” (NZVI), sont souvent utilisées pour nettoyer les milieux aquifères affectés pas des polluants organiques chlorés. De nouvelles particules et d’autres innovations dans ce domaine vont permettre d’augmenter les capacités de transport, de réactivité et l’efficacité de l’action décontaminante de ces agents. De nouveau vecteurs polymériques permettant le transport de pesticides, fertilisants et autres nutriments pour l’industrie de l’agriculture sont développés afin d’assurer une action ciblée, contrôlée et sécuritaire. Des polymères fonctionnels ayant la capacité de faire floculer les particules d’argile en suspension dans le pétrole permettrait également de diminuer la quantité d’eau utilisée dans le procédé d’extraction et ainsi réduire l’impact environnemental de cette méthode.

Matériaux pour la détection et le monitorage environnemental

Les chercheurs du Centre exploitent également les propriétés optiques uniques des nanomatériaux métalliques afin de développer des senseurs environnementaux basés sur la plasmonique ou l’exaltation de diffusion Raman de surface. Les propriétés de ces senseurs sont grandement affectées par la taille et la géométrie des nanoparticules à la base du système, qui doivent nécessairement être adaptées pour l’environnement que l’on veut étudier. Par exemple, en collaboration avec la Défense Nationale, les chercheurs du CQMF/QCAM ont développé un outil mesurant la quantité de résidus de munitions présents dans l’environnement (sol, eau), pour une zone bien définie. De la même façon, des senseurs ont été développés afin d’identifier des traces de métabolites organiques dans des milieux marins afin d’étudier le cycle du carbone dans ces environnements.

Étude physicochimique des systèmes environnementaux

L’étude de la physicochimie d’un environnement passe inévitablement par la compréhension de la mobilité et de la disponibilité des contaminants présents. Par exemple, en ce qui concerne les eaux de surface, la majorité des agents polluants se comportent comme des colloïdes. Le taux d’agglomération (i.e. d’auto-assemblage) de ces molécules est souvent un bon indicateur de l’état de contamination d’un environnement donné et de façon similaire, la majorité des micro-organismes que l’on retrouve dans l’environnement s’assemblent spontanément en biofilms. Il s’agit donc de bien comprendre ces phénomènes de transport et d’auto-assemblage moléculaires afin de déterminer les cinétiques permettant de quantifier l’impact de ses réactions microscopiques sur une échelle macroscopique.