Les axes du projet
Le projet CPER 2021-2027 CHEMACT, porté par l’Institut Chevreul se décline en 6 axes de travail. Les trois premiers axes visent des actions ciblées, appelées « actions phares ». Ils concernent des sujets majeurs de la thématique « Chimie-Matériaux » (élaboration, fonctionnalités et recyclage des matériaux) identifiés comme étant fondamentaux pour accompagner les transitions du 21ème siècle. Les trois autres axes (caractérisation avancée, approches numériques et formation) sont transversaux aux 3 premiers axes ainsi qu’à l’ensemble des équipes participant au projet.
Axe 1. Synthèses, procédés et transformations
Ce premier axe vise au développement, à l’amélioration et à l’optimisation des produits et des procédés via de nouvelles voies de synthèse plus favorables sur le plan énergétique, plus économes en matières, moins coûteuses et plus respectueuses de l’Homme et de l’Environnement. Ses activités s’appuient principalement sur le pôle REALCAT, dédié au criblage haut débit pour la catalyse chimique et biocatalyse, ainsi que le pôle HT-SMARTFORMU, consacré à la formulation accélérée et dont l’ambition est de répondre aux challenges actuels des industries de spécialités chimiques et des produits formulés. Les actions phares majeures identifiées dans cet axe sont les suivantes.
L’Equipex REALCAT est une plateforme unique au monde dédiée au développement de catalyseurs, incluant ceux pour les bioraffineries. Opérationnelle depuis mi-2015, elle représente une brique technologique d’importance capitale afin de répondre aux attentes en termes d’urgence environnementale et d’écotechnologies. Elle rassemble environ 30 équipements de criblage à haut débit, principalement des systèmes robotisés. Ouverte aux chercheurs en catalyse du monde entier - qu’ils soient académiques ou industriels - elle leur offre une fantastique palette d’outils et de méthodes leur permettant d’accélérer leurs projets de R&D. Le présent projet vise au renouvellement d’une partie des équipements de REALCAT afin de la maintenir à la pointe de la technologie et ainsi maintenir sa grande attractivité. De plus, afin d’encore mieux répondre aux demandes des partenaires industriels un outil de criblage haut-débit de catalyseurs mis en forme est prévu dans le projet car actuellement seuls les catalyseurs sous forme de poudre sont développés. Cet équipement permettra le couplage entre la plateforme REALCAT et la plateforme UPCAT, décuplant l’attractivité du site vis-à-vis d’industriels désirant développer et implémenter de nouveaux procédés catalytiques.
Cette action s'inscrit dans le cadre du pôle HT-Smart-Formu de la plateforme technologique d'ingénierie dont l'ambition est de répondre aux challenges actuels (réglementaires, environnementaux, santé, sociétaux) des industries de formulation (cosmétique, détergence, agroalimentaire, etc.) et de spécialités chimiques (tensioactifs, huiles, solvants, parfums, biocides, etc.). Il s'agit ici d'automatiser des méthodes expérimentales spécifiques et de développer des outils théoriques prédictifs pour le développement accéléré de formulations plus performantes, plus sûres, plus respectueuses de l'Homme et de l'Environnement tout en comprenant les phénomènes physicochimiques sous-jacents. Grâce au haut-débit, de nombreuses données collectées seront analysées statistiquement de manière à établir des relations structures chimiques / propriétés physicochimiques / propriétés fonctionnelles en vue d'optimiser les systèmes existants ou de proposer un outil complet de formulation inverse.
Ce plateau, largement mutualisé et structurant, vise à offrir des nouveaux outils d’élaboration, tout particulièrement pour les oxydes complexes et les matériaux métalliques. Les objectifs de cette action sont
- de structurer les moyens et équipements actuels,
- de compléter les gammes de températures et d’atmosphères disponibles,
- d’accroître la flexibilité des conditions d’élaboration et de vieillissement des matériaux.
Ce plateau sera largement ouvert aux autres partenaires académiques et aux industriels.
Le caractère innovant de cette action phare réside dans la mise en place d’une plateforme (Ceramwave-3D) d’élaboration de matériaux céramiques par fabrication additive, particulièrement la technique de « robocasting haute précision » assisté du procédé de chauffage microonde pour la consolidation des matériaux.
Axe 2. Matériaux fonctionnels du futur
Cet axe a pour objectif de fédérer les acteurs autour d’un objectif commun de développement de nouveaux matériaux (multi)fonctionnels adaptifs innovants aux fonctionnalités optimisées et répondant à des besoins exprimés en matière de santé, de sécurité, d’énergie et de développement durable. Trois actions seront priorisées.
Les matériaux sont fréquemment exposés à des sollicitations mécaniques ou thermiques intenses et/ou à des environnements agressifs. Cet axe vise à approfondir les travaux de compréhension de l'influence des architectures et microstructures des matériaux (souvent des oxydes ou des matériaux métalliques) sur leur endommagement afin de proposer de nouvelles microstructures ou architectures et d’améliorer leur durabilité.
Il s’agira ici de développer des matériaux macromoléculaires adaptatifs conçus via des approches bio-inspirées et dont les architectures à différentes échelles ainsi que les propriétés pourront être contrôlées, programmées et reprogrammées sur demande via l’application de stimuli environnementaux. Ces matériaux multifonctionnels de nouvelle génération trouveront des applications dans les domaines de la santé (biomatériaux personnalisés pour la délivrance contrôlée et ciblée de principes actifs et l'imagerie médicale), de l’énergie (matériaux piézoélectriques, batterie intelligente), des senseurs et des actuateurs autonomes.
Cet axe vise le développement de nouveaux matériaux photo-fonctionnels capables de répondre de manière sélective et efficace à une excitation photonique. Un objectif majeur est d’associer des méthodes de synthèse et de caractérisations avancées des matériaux, à des études de spectroscopies ultrarapides pour élucider le lien entre le processus de photo-activation et les performances des matériaux. Nos recherches porteront d’une part sur l’étude d’assemblages supramoléculaires photo-commutables pour la photo-actuation, l’imagerie, ou encore les capteurs chimiques, et d’autre part sur des matériaux solides hétérogènes pour la photocatalyse.
Axe 3. Recyclage des matériaux
Cet axe vise à structurer les activités de recherche qui concernent le développement des procédés de valorisation de matériaux issus de déchets ainsi que le développement de nouveaux matériaux qui ont vocation, en fin de vie à devenir une ressource facilement valorisable. Cela sera réalisé en étroite collaboration avec les pôles Euramaterials et TEAM2.
Aujourd’hui, il existe une multitude d’approches empiriques visant à trouver des moyens de recycler différents types de matériaux produits en très grande quantité (construction, plastique, électronique…). Ces approches empiriques négligent souvent l’impact des sous-produits issus du recyclage ce qui peut nuire au bilan environnemental du procédé. D’autre part, la valeur ajoutée des produits utilisant ces matières recyclées est souvent faible.
Nous proposons, au travers du projet CHEMACT, d’aborder cette thématique du recyclage, sur un plan plus fondamental (bas TRL) permettant une compréhension fine des processus chimiques et physico-chimiques mis en oeuvre dans les différentes étapes d’un procédé de recyclage. Trois actions phares seront mises en place.
Cette action a vocation à développer un plateau technique composé de différentes technologies originales (extrusion en particulier) associées à des fluides supercritiques (en particulier le scCO2) et catalyse de dépolymérisation. Les outils disponibles permettront d’étudier la dépollution de matériaux complexes (polymères en particulier), l’extraction de composés d’intérêt valorisables et également la synthèse de matériaux complexes (catalyseurs par exemple pouvant être utilisés dans les procédés de recyclage des matériaux). Les investissements sollicités pourront, en partie, venir consolider le plateau technique dédié à la mise en œuvre des matériaux polymères de l’Institut Chevreul.
L’objectif de cette action est d’identifier les caractéristiques de nouveaux matériaux fibreux à fonctionnalités innovantes par des approches expérimentales multi-échelles, en lien avec leurs propriétés dans différents environnements. Cela concernera aussi la caractérisation de leur durabilité couplée à des analyses de cycles de vie. Cette approche sera menée à toutes les échelles du matériau fibreux afin de proposer des démarches d’éco-conception. Les investissements sollicités consolideront les plateformes du laboratoire GEMTEX.
Cette action a pour objectif de construire un socle de compétences universitaires dans le domaine de la valorisation des métaux stratégiques et critiques qui sont, dans le partenariat actuel de CHEMACT, uniquement centrées sur la valorisation des actinides. Elle sera développée en lien étroit avec les industriels de la région Haut-de-France, identifiées comme étant leader dans ce domaine et avec le pôle TEAM2. Les activités de cette action seront menées sous forme d’appels à projets ouverts à des partenariats avec les acteurs du monde socio-économique.
Axe 4. Modélisation multi-échelle, simulation, approches prédictives
Le projet bénéficiera des compétences internationalement reconnues en simulation (nanomètre-mètre, femtoseconde-heure) des laboratoires du périmètre. À l'échelle nanométrique, les calculs quantiques et la dynamique moléculaire permettent l’accès aux propriétés électroniques des solides, mais aussi de déterminer les mécanismes réactionnels. Aux échelles plus importantes, les transformations de matériaux complexes (multicomposants, polyphasiques, structurés) seront étudiées par des modèles multi-échelles.
Axe 5. Équipements et développements méthodologiques en caractérisation avancée
Les actions phares du projet CHEMACT requièrent, pour leur réalisation, des outils de caractérisation situés à l’état de l’art. Nous poursuivrons les investissements sur la plateforme de caractérisation avancée afin d’offrir aux acteurs du projet l’opportunité de développer une recherche d’excellence. Cela inclut des investissements dans deux infrastructures de recherche (RPE-THC, RMN-THC).
Par ailleurs, les chercheurs et ingénieurs associés à la plateforme de caractérisation avancée du secteur « Chimie-matériaux » de l’Université de Lille mettent en oeuvre de nombreux développements méthodologiques, que ce soit au niveau des méthodes analytiques ou du traitement de données. Cet effort sera poursuivi et amplifié avec le projet CHEMACT, permettant ainsi non seulement de disposer d’instruments à l’état de l’art via les investissements demandés, mais également à l’état de l’art en termes de méthodologies associées.
Il faut noter que les équipements sollicités dans ce projet CHEMACT sont transverses aux trois axes et sont inscrits dans une démarche de mutualisation et de structuration du secteur « Chimie-Matériaux ». Il est important de noter que ces moyens de caractérisation viennent aussi alimenter les autres projets CPER car les instruments sont largement ouverts à la communauté scientifique, ainsi qu’aux partenaires industriels.
Axe 6. Chercheurs, étudiants, citoyens : ensemble pour réussir la transition globale
Cet axe du projet a pour ambition de favoriser la mixité des compétences, de multiplier les opportunités de rencontres du triptyque recherche-formation-entreprises ainsi que de développer un lien avec la société. Il sera organisé autour de deux actions.
Cette action, basée sur l’offre de formation par la recherche de haut niveau dispensée au sein des établissements partenaires du projet CHEMACT, rassemblera des chercheurs (masters, doctorants et chercheurs confirmés) autour de projets pluriannuels portant sur les grands enjeux dans le domaine de la chimie des matériaux définis dans les trois premiers axes du projet CHEMACT. Elle constituera une action ouverte aux autres partenaires du monde académique et aux industriels pour favoriser l'interdisciplinarité.
La seconde action sera centrée sur la médiation scientifique. Elle prendra des formes variées (séminaires, LivingLab, hackathon…) et concernera un large public (collégiens, lycéens, citoyens...). Elle se fera en collaboration avec les autres acteurs de médiation du territoire.
