Explorer l’eau au cœur des matériaux biosourcés, avec le rayonnement synchrotron
Fin mars, une équipe de la Chaire de biotechnologie de Pomacle a mené plusieurs heures d’expériences au Synchrotron SOLEIL sur le plateau de Saclay. Leur objectif : mieux comprendre le comportement de matériaux biosourcés, comme le bois, en présence d’eau.
Pourquoi utiliser un synchrotron pour étudier ces matériaux ?
Les matériaux composites biosourcés, à base de bois ou de fibres végétales, suscitent un fort intérêt dans de nombreux secteurs : emballage durable, construction ou encore applications biomédicales. Ces matériaux étant sensibles à l’humidité, l’optimisation de leurs propriétés et performances pour ces applications nécessite de bien comprendre leur comportement en présence d’eau et notamment la microstructure, voire la nanostructure de ces matériaux, et surtout son évolution en conditions réelles. Si la caractérisation d’échantillons statiques peut se faire en laboratoire, les étudier lors de processus dynamiques, par exemple lorsque le bois s’imbibe d’eau, nécessite des équipements expérimentaux avancés tels que les sources de rayonnement synchrotron.
Ci-contre : une partie de l’équipe de la Chaire de biotechnologies de Pomacle, impliquée sur le projet lors de l’expérience sur la ligne PSICHÉ de SOLEIL
Une imagerie 4D à très haute résolution
Pour visualiser l’intérieur d’un matériau en 3D, la tomographie est aujourd’hui couramment utilisée : elle consiste à reconstruire l’échantillon en 3D à partir d’une multitude de projections 2D. En sciences des matériaux, contrairement à l’imagerie médicale, c’est l’échantillon qui tourne dans le faisceau de rayons X. Dans un tomographe de laboratoire, cela prend beaucoup de temps (plusieurs heures à haute résolution). Un synchrotron permet d’obtenir, sur une station expérimentale appelée ligne de lumière, un flux extrêmement brillant de rayons X, ce qui permet de réduire drastiquement le temps de scan.
Cette brillance exceptionnelle des rayons X et d’autres qualités (cohérence, choix de l’énergie, faisceau presque parallèle) permettent d’obtenir des imageries à très haute résolution spatiale (de quelques microns à des dizaines de nm) en quelques minutes, et donc de réaliser des expériences en temps réel pour suivre des phénomènes dynamiques. On parle alors d’imagerie 4D (3D + temps).
L’expertise de la chaire de biotechnologie pour observer l’eau au cœur des matériaux
Comment l’eau liée migre-t-elle et se diffuse-t-elle dans les pores du bois ? Comment la microstructure de matériaux composites conçus et optimisés pour des applications biomédicales (ex. matrices pour la régénération osseuse) évolue-t-elle lors de leur réhydratation ?
C’est pour répondre à ces questions qu’un dispositif d’imbibition sur mesure a été développé par les équipes de la chaire de biotechnologie. Ce dispositif, déjà testé lors d’une précédente expérience synchrotron (ligne de lumière Anatomix de SOLEIL) il y a un an, permet d’exposer l’échantillon à l’eau de manière contrôlée, tout en suivant la dynamique d’imbibition grâce aux mesures de nanotomographie X couplée avec la diffraction des rayons X sur des échantillons. Le but de cette expérience sur la ligne de lumière PSICHÉ est ainsi de suivre l’imbibition de l’eau liquide au sein de la morphologie des pores des échantillons simultanément à l’évolution de leur cristallinité.
La préparation des échantillons - bois (peuplier, épicéa, chêne…) et composites à base d’amidon a également bénéficié du savoir-faire du LGPM, tant pour leur mise en forme (géométries adaptées, découpe au jet d’eau et au laser) que pour leur conception en amont notamment pour les matériaux composites optimisés (fonctionnalisés) pour des applications médicales.
Quels résultats attendre de ces recherches ?
Ces travaux permettent de mieux comprendre comment l’eau interagit avec les matériaux biosourcés, depuis les mécanismes fondamentaux jusqu’à leur comportement en conditions réelles, afin d’en améliorer la conception et les performances, et d’enrichir les modèles multi-échelles en intégrant ces phénomènes et leurs dynamiques. Ainsi, de nouveaux procédés pourront être mis en place afin d’obtenir des morphologies et tailles de pores idéales pour différentes applications visées.
Ces résultats contribuent au développement de solutions plus respectueuses de l’environnement, tout en ouvrant la voie à des applications innovantes, notamment dans le domaine de la santé.
Scientifiques impliqués : Patrick Perré (porteur de projet), Aya Zoghlami, Brahim Mazian, Franco Otaola, Hajar Naciri, Kaiky Amaro, Pedro Augusto, Sylvain Foret, Thomás Vianna, et Yuri Ferreira da Silva
