DANIELE Stéphane

Programmation moléculaire des matériaux fonctionnels : Une approche rationnelle de la conception des matériaux pour l’énergie et l’environnement

Vision scientifique

La maîtrise des grands défis énergétiques et environnementaux repose sur le développement de matériaux capables de réaliser des fonctions chimiques toujours plus complexes avec une efficacité, une sélectivité et une durabilité accrues. Si les progrès réalisés au cours des dernières décennies sont considérables, la découverte de nouveaux matériaux demeure encore largement fondée sur des approches empiriques reposant sur l’essai-erreur.

Les recherches du Professeur Stéphane DANIELE poursuivent un objectif différent : remplacer cette démarche empirique par une conception rationnelle des matériaux, fondée sur la maîtrise de leur architecture moléculaire et de leur structure électronique.L’idée directrice est que les propriétés d’un matériau ne sont pas une conséquence fortuite de sa composition, mais le résultat d’une programmation chimique réalisée dès les premières étapes de sa conception.

Cette philosophie peut se résumer par trois principes :

Concevoir la molécule.
Programmer la structure.
Maîtriser la fonction.

Cette approche constitue aujourd’hui le fil conducteur de l’ensemble des recherches développées au sein du groupe.

 

Une stratégie de recherche intégrée

Cette démarche associe plusieurs disciplines traditionnellement séparées :

• chimie moléculaire ;
• chimie de coordination ;
• chimie des matériaux ;
• chimie colloïdale ;
• chimie de surface ;
• nanosciences ;

Le point commun de ces recherches est toujours le même :

comprendre comment une modification locale de la structure moléculaire modifie les propriétés électroniques, puis la réactivité chimique, avant d’induire une nouvelle fonction macroscopique.

Cette continuité entre l’échelle atomique et la fonction constitue le cœur du programme scientifique.

 

Les grands axes de recherche

Contrôle de la structure électronique

Les travaux développent de nouvelles stratégies permettant de contrôler les propriétés électroniques des matériaux par :

• le choix des précurseurs moléculaires ;
• l’ingénierie des interfaces ;
• le dopage contrôlé ;
• les interactions donneur–accepteur ;
• les défauts cristallins ;
• la fonctionnalisation moléculaire.

L’objectif est de programmer les transferts de charge responsables des propriétés catalytiques et optiques.

Catalyse durable

Les recherches concernent principalement l’activation de molécules particulièrement stables telles que :

• CO₂
• N₂
• O₂

Ces transformations utilisent préférentiellement la lumière ou l’électricité comme vecteurs énergétiques afin de développer des procédés de synthèse sobres en énergie et respectueux de l’environnement.

Les matériaux développés comprennent notamment :

• des photocatalyseurs sans métal ;
• des semi-conducteurs organiques ;
• des résines conjuguées dopées au bore ;
• des liquides ioniques fonctionnels ;
• des électrocatalyseurs innovants.

Nanomatériaux hybrides

Une autre partie importante des recherches concerne l’élaboration de matériaux hybrides associant composants organiques et inorganiques.

Le développement des Nanoparticle Organic Frameworks (NOFs) illustre cette philosophie en utilisant des nanoparticules comme briques élémentaires pouvant être fonctionnalisées pour acquérir de nouvelles propriétés de reconnaissance moléculaire.

Ces matériaux trouvent des applications dans :

• le recyclage des métaux critiques ;
• la séparation sélective ;
• la dépollution ;

les matériaux intelligents.

Précurseurs moléculaires et couches minces fonctionnelles

Depuis de nombreuses années, les recherches portent également sur la conception de nouveaux précurseurs moléculaires destinés aux procédés MOCVD, ALD et DLI-CVD.

Cette activité permet l’élaboration de matériaux avancés pour :

• la microélectronique ;
• les composants RF ;
• la photonique ;
• les matériaux ferroélectriques ;

les matériaux piézoélectriques.

Des connaissances vers l’innovation

Au-delà des avancées fondamentales, les travaux visent à accélérer le transfert vers des applications industrielles.

Ils ont conduit au développement de plusieurs brevets, à des collaborations industrielles nationales et internationales ainsi qu’à la participation à de nombreux projets européens.

Les applications concernent notamment :

• la conversion de l’énergie solaire ;
• la production durable de molécules chimiques ;
• le recyclage des métaux stratégiques ;
• les matériaux électroniques de nouvelle génération ;
• les technologies de décarbonation.