Modélisation d'électrodes poreuses pour leur conception optimisée – MOMA

Ce projet consiste à utiliser une méthode de type “bottom-up” pour optimiser le design des matériaux composant les électrodes poreuses destinées à équiper des biosystèmes tels que des biopiles ou des biocapteurs. Le fonctionnement de ces dispositifs repose sur des réactions enzymatiques électrochimiques d’oxydo-réduction couplées au transfert de masse des substrats (en l’occurrence le glucose et l’oxygène) ainsi qu’au transfert des électrons au sein des pores de la structure et depuis/vers la surface des pores. L’avantage à utiliser des matériaux poreux pour ces électrodes repose dans le fait qu’ils permettent d’obtenir des valeurs très grandes du rapport entre la surface interne (là où les échanges d’électrons ont lieu) et le volume macroscopique de l’élément. Ceci conduit à des densités de courant bien plus élevées que pour une électrode solide de même volume. La performance globale de l’électrode poreuse est intimement reliée au choix des réactifs utilisés et à leur placement dans la structure poreuse, mais, de manière très importante, à l’architecture interne à l’échelle des pores. Des techniques très intéressantes, basées sur une étape de dépôt organisé de billes de silice à l’aide d’une méthode de Langmuir-Blodgett, suivie par un dépôt en couche d’un matériau électro-conducteur puis d’une étape de dissolution des billes ont été élaborées pour synthétiser des matériaux de ce type ayant des tailles caractéristiques de pore de l’ordre du micromètre. Ces techniques, qui sont bien maîtrisées par l’un des partenaires du projet, permet l’obtention de matériaux avec une structure interne modulable et bien contrôlée. Cependant, ces matériaux ont jusqu’à présent été élaborés de manière empirique quant à leur épaisseur finale, la taille des pores et leur organisation bien que ces paramètres aient une importance cruciale dans la compétition entre le transfert de masse, les processus réactionnels avec les enzymes et le transfert hétérogène d’électrons. Une approche rationnelle, basée sur une conception du matériau reposant sur la modélisation physique afin d’obtenir des performances optimales est par conséquent absolument nécessaire.
Le présent projet comporte quatre objectifs. Dans un premier temps, une modélisation soignée des processus à l’échelle des pores doit être mise en place. Pour des questions d’utilisation pratique en simulation, un changement d’échelle sera opéré afin d’obtenir les modèles correspondants à l’échelle macroscopique. Les solutions des modèles à l’échelle du pore, obtenues à l’aide de simulations numériques directes sur des structures poreuses simples, seront comparées à la solution des modèles macroscopiques correspondants. La validation sera complétée par des comparaisons avec des résultats expérimentaux en utilisant des images des structures réelles sur lesquelles ils auront été obtenus. Dans un second temps, la dépendance vis-à-vis de la microstructure de la relation courant-potentiel de l’électrode obtenue par simulation sera exploitée pour optimiser l’architecture porale L’épaisseur optimale de l’électrode sera également analysée avec cette procédure. Cette étape sera réalisée en faisant appel à de la simulation sur matériaux virtuels afin d’obtenir les structures optimales qui maximisent le courant électrique. Dans une troisième étape, la réalisation de prototypes d’électrodes, basés sur les matériaux identifiés comme optimaux, sera effectuée en reproduisant les structures de pores correspondantes. Dans la dernière partie du projet, après une étape clef consistant à immobiliser les enzymes (et les médiateurs de transfert d’électrons) dans la structure poreuse, des expériences sur les électrodes synthétisées précédemment seront réalisées à l’aide de tests électroanalytiques. Ce projet doit conduire à une réelle percée dans l’amélioration de l’efficacité des bio-dispositifs auxquels ces électrodes poreuses sont destinées.