Conception de matériaux inorganiques à plusieurs dimensions – Multi D-InMaDe

La situation des laboratoires français de « chimie du Solide » en termes de prospection de nouveaux composés susceptible d’alimenter le vivier de propriétés inédites de demain est alarmante. Elle a été largement délaissée pour l’étude plus lucrative de « matériaux pour » - l’énergie, -l’électronique, -le nucléaire …etc… qui malheureusement consiste essentiellement en l’optimisation de composés performants, et ne renouvelle donc pas les architectures structurales innovantes sans idées préconçues quant à leurs propriétés. Cette situation nationale est critique à un niveau pluridisciplinaire, puisque chimistes, physiciens théoriciens et même les partenaires industriels y’perdent en termes de perspectives d’innovation de la recherche nationale future.
Notre projet se place dans ce cadre, et propose via une approche prédictive originale d’élaborer des composés inorganiques innovants. Il s’agit du « Design » de nouveaux composés à structure 1D/2D et 3D à partir de briques élémentaires originales, formées de l’assemblage de polyèdres oxo-centrés OM4 en un réseau structurant, les espaces vacants étant remplis par des groupements de natures variées dont les spécificités structurales seront rationalisées. En ce sens notre démarche est innovante et s’inscrit dans le cadre du renouveau de la chimie inorganique, puisque la majorité des phases inorganiques prédites jusqu’à présent consistent en l’empilement variable de sous-unités 2D.
Notre expérience acquise dans ce domaine concerne l’étude poussée d’un certain nombre de composés inédits dans les systèmes chimiques Bi2O3-X2O5-MxOy (M= P, V, As… X= Li, Na, Cu, Co, Ni, Mg, Cd…). Du point de vue structural, ces phases se déduisent les unes des autres par la réorganisation de briques élémentaires (à base de tétraèdres O(Bi,M)4 ) Nous avons mis en évidence une dépendance particulière entre la nature des briques et l’espace inter-feuillets, conduisant à des règles empiriques à la base de la prédiction de composés inédits à structure complexe. Néanmoins, nos ambitions concernent l’extension de cette approche prédictive à des systèmes chimiques variés et le « Design » de structures de dimensionnalité variables, conduisant à des propriétés diverses (diélectriques, magnétiques, optiques…). Le travail consiste en la diversification de la taille et de la topologie des unités de base, afin de diversifier les archétypes structuraux à élaborer. Ce travail implique une rationalisation systématique des phases déjà existantes afin de dégager, analogie structurales et les paramètres chimiques qui conditionnent la structure finale. Ce travail fastidieux est déjà en cours dans le cadre d’un article de revue ( (ref 21 dans le document).
Les étapes mises en jeu (Design/validation/ élaboration/structure/propriétés) intègrent l’arsenal complet des chimistes du solide et incluent l’utilisation des banques de données structurales, les calculs « ab-initio » de type DFT, la diversification des méthodes de synthèse, les méthodes de diffractions et plusieurs collaborations concernant la croissance cristalline et les caractérisations/validations des propriétés physico-chimiques. A ce propos nous insistons sur l’originalité de nos études par microscopie électronique, puisque nous avons récemment valider la possibilité de déterminer la structure parfois complexe du réseau formés parles sous-unités O(Bi,M)4 par simple observation/décodage en imagerie haute résolution (ref dans notre projet). Il nous semble donc nécessaire d’approfondir ces études à fort impact méthodologique.
Finalement, par analogie avec les propriétés spectaculaires variées (optiques, diélectriques, magnétiques, conductivité ionique …) des composés déjà initiés dans les systèmes cités plus haut, nous prétendons prédire et élaborer certaines topologies interatomiques à la base de propriétés physico-chimiques initialement prédites.