Projet ANR-10-JCJC-0808 – Dynagel : Dynamique et Structure d’hydrogels déformés étudiées par diffusion de la lumière
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie :  Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Tetsuharu NARITA (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : Sciences et Ingénierie de la Matière Molle
Montant : 170000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Utilisation de la lumière pour mesurer la dureté et la fluidité des gels vers des applications biomédicalesLes hydrogels sont des matières molles intéressantes académiquement et industriellement, mais les applications sont limitées en raison de leur fragilité mécanique. Afin de les rendre dur et résistant à la rupture, les gels dissipatifs ayant la fluidité et la dureté simultanément ont été proposés. Nous étudions leurs propriétés mécaniques dans une large échelle de temps et de longueur. De techniques optiques innovantes ont été élaborées pour caractériser les gels modèle bien définis chimiquement.
Comment obtenir une image physique de renforcement mécanique des hydrogels qui permettra ensuite de concevoir de nouveaux gels renforcés mécaniquement?Dans notre vie quotidienne, nous consommons souvent divers hydrogels, comme la gélatine, l'agar, l’absorbant d'eau dans une couche, la lentille de contact souple, etc. Ils sont faits de réseaux de polymères contenant beaucoup de quantité d'eau. Ce sont des matériaux intéressants pour diverses applications, notamment dans le domaine biomédical. Cependant, il existe de nombreux problèmes d'ingénierie à résoudre: en général, les gels synthétiques sont mécaniquement fragiles par rapport aux gels biologiques tels que le cartilage. En conséquence les applications des hydrogels comme matériaux déformables sont limitées. Suite aux récents développements dans la chimie des hydrogels, nous savons maintenant comment synthétiser les hydrogels renforcés mécaniquement. Pourtant, alors que leurs performances mécaniques sont spectaculaires, aucune explication auto-consistante à l’échelle moléculaire  qui pourrait être généralisé, n’a été proposée. Une telle image physique permettrait alors de concevoir des gels renforcés mécaniquement avec des méthodes basées sur la connaissance plutôt que de façon empirique. Afin d'avoir des gels hautement déformables, il est important d'empêcher les fissures de progresser. Ainsi, il est nécessaire de comprendre la dynamique des gels aux échelles micrométriques et nanométriques. Comme la réponse mécanique à ces échelles de longueur courte peut être très rapide, les nouvelles technologies utilisant la lumière pour détecter la dynamique rapide ont été utilisées. Dans ce projet, nous nous concentrons sur la structure et la dynamique des nouveaux hydrogels sous grande déformation. Ainsi les essais mécaniques classiques (mesures de force au cours de la déformation macroscopique de gels d'échantillons) qui visent plutôt les échelles millimétriques et des échelles de temps plus longues sont effectués.
approches pluridisciplinaires y compris la conception et la synthèse de gels, les essais mécaniques macroscopiques classiques et de nouvelles techniques mécaniques optiquesDans ce projet multidisciplinaire, nous avons prévu de travailler sur trois parties principales. (1) Chimie: Notre stratégie consiste à synthétiser hydrogels modèle capables de dissiper l’énergie  de fracture localisée à la fissure par l'introduction de liaisons fragiles mais réformables. Nous avons testé les hydrogels modèle suivants développés dans notre laboratoire. (i) les hydrogels modifiés par groupements hydrophobes sont des gels de polyélectrolytes réticulés chimiquement ayant des groupements hydrophobes qui s’autoassocient formant des micelles. ce système a été abandonné. (ii) les gels de PVA double liaison croisée comportant des liaisons réversibles bien contrôlées ont été synthétisés (non prévu initialement, le remplacement du gel ci-dessus). (iii) les gels hybrides sont constitués de nanoparticules de silice et d’un réseau de polymères chimiquement réticulés. L’adsorption réversible de chaînes de polymère sur la surface des nanoparticules de silice peut dissiper beaucoup d'énergie. (2) Essais mécaniques: Divers essais mécaniques des hydrogels sont effectués. Plusieurs difficultés expérimentales telles que la prévention de séchage du gel et la fixation de gels mous à la géométrie sont à surmonter. (3) Caractérisations optiques: (i) la caractérisation des propriétés structurales et dynamiques des hydrogels déformés par simple diffusion de la lumière sont prévues. Nous montons un microscope avec un dispositif de mesure des signaux lumineux par caméra CCD pour les gels sous déformation (compression uniaxiale). Ce développement du montage méca-diffusion de la lumière s'avère difficile à finaliser. (ii) Microrhéologie par diffusion multiple de la lumière est une nouvelle technologie, rarement utilisée pour des hydrogels. En mesurant les mouvements de particules sondes dispersées dans les gels grâce à la lumière diffusée, nous déterminons les propriétés mécaniques micrométriques des gels aux temps courts. La faisabilité reste à démontrer.
Résumé de la soumission : Les hydrogels ont la capacité de changer le volume par absorption/désorption d'eau. Bien qu'ils soient utilisés pour des applications techniques, les hydrogels synthétiques restent mécaniquement fragiles, ce qui limite leurs applications qui exigent de grandes déformations. Récemment, des groupes de recherche japonais, ont amélioré les propriétés mécaniques des gels en développant des chimies originales : de nouveaux hydrogels résistants, avec une déformabilité plus élevée, en conservant une grande capacité de rétention d’eau. Bien que les performances mécaniques rapportées soient spectaculaires, aucune explication cohérente à l’échelle moléculaire n’a été proposée. La relation entre la dynamique locale du réseau polymère et ses propriétés viscoélastiques macroscopiques reste à étudier.Une question sur la physique des hydrogels reste posée : quelle est la structure et la dynamique des gels, et en quoi est-elle différente des hydrogels conventionnels pour de grandes déformations? Alors que les différentes techniques de diffusion de rayonnement ont été précédemment employées pour des analyses structurales dans les conditions non déformées ou déformées ; la dynamique du réseau sous déformations n'a pas été étudiée de manière systématique afin de comprendre les mécanismes de rupture. Notre projet se focalise sur la dynamique et la microrhéologie d’hydrogels originaux aux grandes déformations. Cette compréhension de la dynamique et de la structure devrait aider à clarifier les effets de la relaxation structurale sur le front de fracture du gel. Nous prévoyons d'appliquer deux techniques. (1) La diffusion simple de la lumière pour la caractérisation des propriétés structurales et dynamiques des hydrogels. Nous prévoyons de développer un dispositif permettant de réaliser des mesures de diffusion de la lumière sous chargement mécanique (microscopie méca-diffusion).  (2) La microrhéologie par diffusion multiple de la lumière (DWS) des gels contenant des particules utilisées comme sonde. La viscoélasticité locale à haute fréquence sera sondée. Deux types d’hydrogels modèles développés dans le laboratoire seront utilisés : les gels hybrides et les hydrogels hydrophobiquement modifiées. Les gels hybrides sont composés d’un réseau de polymère réticulé chimiquement et de nanoparticules de silice dispersées avant la polymérisation. Ces gels hybrides permettent de gagner presque un ordre de grandeur en module élastique par rapport aux gels non chargés. Des analyses mécaniques suggèrent qu'il existe des interactions physiques entre le polymère et la silice dont le caractère réversible est à l'origine de propriétés dissipatives qui conduisent à la bonne résistance à la rupture de ces gels. Les hydrogels Hydrophobiquement modifiés sont gels de polyélectrolytes réticulés chimiquement ayant des groupements latéraux hydrophobes qui forment des micelles. Ils montrent une hystérèse significative à grande déformation en compression uniaxiale.Avec la microscopie méca-diffusion, nous étudions la structure et la dynamique des particules de silice/micelles. La DWS nous permet de caractériser la dynamique locale et les propriétés rhéologiques des réticulations physiques à hautes fréquences.Via ces deux techniques, l’idée est d’identifier les propriétés dynamiques des gels sous déformation et de les corréler avec la viscoélasticité locale, ainsi qu’avec les propriétés rhéologiques macroscopiques. Le point fort de notre projet repose sur une double analyse de la dynamique de notre système, par moyen optique et par une analyse mécanique, complétée par la microrhéologie optique. Vu la situation internationale dans ce domaine, notre projet par son approche  pluridisciplinaire permettra de développer une compréhension globale des mécanismes pilotant les propriétés en grande déformation ; ce qui devrait nous conduire vers de nouvelles voies de design de gels résistants à la fracture.
Résultats : Nos résultats remarquables sont suivent.
(1) Chimie:
Nous avons synthétisé avec succès deux hydrogels renforcés mécaniquement pour les essais mécaniques et les caractérisations optiques. Nous soulignons que les gels de PVA double réticulation sont prometteurs, ils sont fabriqués par un procédé très simple avec les produits chimiques peu coûteux. Par rapport aux autres gels signalés précédemment difficiles, notre gel a des propriétés dynamiques très simples, peut être un bon modèle pour diverses caractérisations physiques des gels.
(2) Essais mécaniques:
Les propriétés mécaniques des gels de PVA double réticulation étaient bien au-delà de nos attentes, nous leur étudié plus en détail que prévu initialement. Avec notre nouveau partenaire international, la modélisation a été réalisée. Nos résultats pourront être une bonne référence pour comprendre les propriétés mécanique des autres gels similaires mais plus compliqués chimiquement. 
(3) Caractérisations optiques:
Nous avons développé des prototypes d'appareils de test mécanique couplés avec des mesures de diffusion de lumière, quelques améliorations sont nécessaires.
La nouvelle technique de microrhéologie a été bien mise au point. Elle nous a permis à caractériser nos gels à l’échelle de temps court, nous avons démontré le mécanisme moléculaire détaillée des réticulations réversibles.
Ces montages expérimentaux et le savoir-faire de la technique seront utiles pour la caractérisation de l'autre matière molle dans les futures projets.
Perspectives : Avec nos gels de PVA double réticulation, nous avons démontré un comportement universel des propriétés mécaniques des hydorgels ayant des liaisons réversibles sous grande déformation. Il peut être servi comme un guide pour caractériser d'autres hydrogels hautement déformables similaires. Nous avons montré que la durée de vie des liaisons réversibles est un temps caractéristique important du système, en comparaison avec l'échelle de temps de la déformation et de la propagation des fissures. Des gels avec des durées de vie modulables doivent être systématiquement étudiés pour la prochaine étape. Nous avons déjà commencé à concevoir et synthétiser un tel gel modulable et nous continuerons l'étude pour une thèse. 
Nous avons développé deux dispositifs expérimentaux originaux. Ils seront utilisés pour la caractérisation des gels d'autres solutions et gels de polymères. Il y a plusieurs sociétés Européennes qui commercialisent des appareils pour la microrhéologie. Nous sommes en contact avec eux et de nouvelles collaborations seront probablement ouvertes.
Publications et brevets : Nous avons publié 4 articles dans des revues réputées dans le domaine de la science des polymères (3 macromolécules, 1 ACS MacroLetters). 
4 autres articles ont été soumis ou en cours de préparation. 
1. T. Narita,  K. Mayumi, G. Ducouret, P. Hébraud, Macromolecules 2013, 46, 4174
2. S. Rose, A. Marcellan, D. Hourdet, C. Creton, T. Narita, Macromolecules 2013, 46, 4567
3. S. Rose, A. Marcellan, D. Hourdet, T. Narita, Macromolecules 2013, 46, 5329
4. K. Mayumi, A. Marcellan, G. Ducouret, C. Creton, T. Narita, ACS MacroLett. 2013, 2, 1065
Nous avons fait 18 présentations à des conférences (15 international, 3 français). Nous avons gagné un prix de l'affiche.