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Matériaux hybrides sont des composites composés de deux constituants au niveau nanométrique ou moléculaire. Généralement, l’un de ces composés est inorganique et l’autre de nature organique. Ainsi, ils diffèrent des composites traditionnels où les constituants sont au niveau macroscopique (micromètre à millimètre). Le mélange à l’échelle microscopique conduit à un matériau plus homogène qui présente des caractéristiques entre les deux phases originales ou même de nouvelles propriétés. Ces matériaux sont fabriqués par l’utilisation de la polymérisation des macro-monomères et de l’alcoxyde métallique.

Introduction [ modifier ]]

Matériaux hybrides dans la nature [ modifier ]]

De nombreux matériaux naturels sont constitués de blocs de construction inorganiques et organiques distribués à l’échelle nanométrique. Dans la plupart des cas, la partie inorganique fournit une résistance mécanique et une structure globale aux objets naturels tandis que la partie organique fournit une liaison entre les blocs de construction inorganiques et / ou le reste du tissu. Les exemples typiques incluent l’os et la nacre.

Développement de matériaux hybrides [ modifier ]]

Les premiers matériaux hybrides étaient les peintures fabriquées à partir de composants inorganiques et organiques qui ont été utilisés il y a des milliers d’années. Le caoutchouc est un exemple de l’utilisation de matériaux inorganiques comme charges pour les polymères organiques. Le processus sol-gel développé dans les années 1930 a été l’un des principaux moteurs de ce qui est devenu le vaste domaine des matériaux hybrides inorganiques-organiques.

Classification [ modifier ]]

Les matériaux hybrides peuvent être classés en fonction des interactions possibles reliant les espèces inorganiques et organiques. ^[d’abord] Classe I Les matériaux hybrides sont ceux qui présentent des interactions faibles entre les deux phases, telles que Van der Waals, la liaison hydrogène ou les interactions électrostatiques faibles. Classe II Les matériaux hybrides sont ceux qui présentent de fortes interactions chimiques entre les composants tels que les liaisons covalentes.

Les propriétés structurelles peuvent également être utilisées pour distinguer divers matériaux hybrides. Une fraction organique contenant un groupe fonctionnel qui permet l’attachement à un réseau inorganique, par ex. Un groupe d’essaikoxysilane, peut agir comme un modificateur de réseau Parce que dans la structure finale, le réseau inorganique n’est modifié que par le groupe organique. Les phényltrialkoxysilanes sont un exemple pour de tels composés; Ils modifient le réseau de silice dans le processus Sol – Gel via la réaction du groupe Trialkoxysilane sans fournir de groupes fonctionnels supplémentaires destinés à subir d’autres réactions chimiques au matériau formé. Si un groupe fonctionnel réactif est incorporé, le système est appelé fonctionnaliseur de réseau . La situation est différente si deux ou trois de ces groupes d’ancrage modifient un segment organique; Cela conduit à des matériaux dans lesquels le groupe inorganique fait ensuite partie intégrante du réseau hybride. Ce dernier type de système est connu sous le nom constructeur de réseaux

Des mélanges sont formés si aucune interaction chimique forte n’existe entre les blocs de construction inorganiques et organiques. Un exemple pour un tel matériau est la combinaison de grappes inorganiques ou de particules avec des polymères organiques dépourvus d’une forte interaction (par exemple covalente) entre les composants. Dans ce cas, un matériau est formé qui se compose par exemple un polymère organique avec des fractions inorganiques discrètes piégées dans lesquelles, selon les fonctionnalités des composants, par exemple la faible lutte contre la réticulation se produit par les unités inorganiques piégées par des interactions physiques ou les composants inorganiques sont piégés dans une matrice polymère réticulée. Si un réseau inorganique et un réseau organique s’interpénèrent mutuellement sans interactions chimiques fortes, ce que l’on appelle des réseaux interpénétrants (IPN) se forment, ce qui est par exemple le cas si un matériau sol-gel est formé en présence d’un polymère organique ou vice versa. Les deux matériaux décrits appartiennent à des hybrides de classe I. Des hybrides de classe II sont formés lorsque les blocs de construction inorganiques discrets, par ex. Les grappes sont liées de manière covalente aux polymères organiques ou les polymères inorganiques et organiques sont connectés de manière covalente les uns avec les autres.

Distinction entre les nanocomposites et les matériaux hybrides [ modifier ]]

Le terme nanocomposite est utilisé si la combinaison d’unités structurelles organiques et inorganiques produit un matériau avec des propriétés composites. C’est-à-dire que les propriétés d’origine des composants organiques et inorganiques séparés sont toujours présents dans le composite et sont inchangés en mélangeant ces matériaux. Cependant, si une nouvelle propriété émerge du mélange intime, alors le matériau devient un hybride. Un exemple macroscopique est le mule, qui est plus adapté au travail acharné que l’un ou l’autre de ses parents, le cheval et l’âne. La taille des composants individuels et la nature de leur interaction (covalente, électrostatique, etc.) n’entrent pas dans la définition d’un matériau hybride. ^[2]

Avantages des matériaux hybrides sur les composites traditionnels [ modifier ]]

• Les grappes ou nanoparticules inorganiques avec des propriétés optiques, électroniques ou magnétiques spécifiques peuvent être incorporées dans des matrices de polymère organique.
• Contrairement aux matériaux inorganiques à l’état solide pur qui nécessitent souvent un traitement à haute température pour leur traitement, les matériaux hybrides présentent une manipulation plus de type polymère, soit en raison de leur grand contenu organique, soit en raison de la formation de réseaux inorganiques réticulés à partir de petits précurseurs moléculaires comme tout comme comme Dans les réactions de polymérisation.
• La diffusion de la lumière dans un matériau hybride homogène peut être évité et donc la transparence optique des matériaux hybrides et nanocomposites résultants peut être obtenue.

La synthèse [ modifier ]]

Deux approches différentes peuvent être utilisées pour la formation de matériaux hybrides: soit des blocs de construction préformés bien définis sont appliqués qui réagissent entre eux pour former le matériau hybride final dans lequel les précurseurs conservent encore partiellement leur intégrité d’origine ou une ou les deux structurelles ou les deux structurelles Les unités sont formées à partir des précurseurs transformés en une nouvelle structure (réseau). Il est important que l’interface entre l’inorganique et
Matériaux organiques qui doivent être adaptés pour surmonter de graves problèmes dans la préparation de matériaux hybrides. Différents blocs de construction et approches peuvent être utilisés pour leur préparation et ceux-ci doivent être adaptés pour combler les différences de matières inorganiques et organiques.

Approche des éléments de construction [ modifier ]]

Les blocs de construction conservent au moins partiellement leur intégrité moléculaire tout au long de la formation de matériaux, ce qui signifie que les unités structurelles qui sont présentes dans ces sources de formation de matériaux peuvent également être trouvées dans le matériau final. Dans le même temps, les propriétés typiques de ces blocs de construction survivent généralement à la formation de la matrice, ce qui n’est pas le cas si les précurseurs de matériaux sont transférés dans de nouveaux matériaux. Des exemples représentatifs de ces blocs de construction bien définis sont des grappes ou nanoparticules inorganiques modifiés avec des groupes organiques réactifs attachés.

Les composés de cluster se composent souvent d’au moins un groupe fonctionnel qui permet une interaction avec une matrice organique, par exemple par copolymérisation. Selon le nombre de groupes qui peuvent interagir, ces blocs de construction sont capables de modifier une matrice organique (un groupe fonctionnel) ou de former des matériaux partiellement ou entièrement réticulés (plus d’un groupe). Par exemple, deux groupes réactifs peuvent conduire à la formation de structures de chaîne. Si les blocs de construction contiennent au moins trois groupes réactifs, ils peuvent être utilisés sans molécules supplémentaires pour la formation d’un matériau réticulé.

Outre les éléments de construction moléculaires mentionnés, les blocs de construction nanosisés, tels que les particules ou les nanorodes, peuvent également être utilisés pour former des nanocomposites. L’approche des blocs de construction a un grand avantage par rapport à la formation in situ des entités inorganiques ou organiques: car au moins une unité structurelle (le bloc de construction) est bien définie et ne subit généralement pas de changements structurels significatifs pendant la formation de la matrice, mieux Des prédictions structure-propriété sont possibles. En outre, les éléments constitutifs peuvent être conçus de manière à donner les meilleures performances dans la formation des matériaux, par exemple une bonne solubilité des composés inorganiques dans les monomères organiques par des groupes de surface montrant une polarité similaire à celle des monomères.

Ces dernières années, de nombreux éléments constitutifs ont été synthétisés et utilisés pour la préparation de matériaux hybrides. Les chimistes peuvent concevoir ces composés sur un
Échelle moléculaire avec des méthodes hautement sophistiquées et les systèmes résultants sont utilisés pour la formation de matériaux hybrides fonctionnels. De nombreuses applications futures, en particulier en nanotechnologie, se concentrent sur une approche ascendante dans laquelle les structures complexes sont formées de manière hiérarchique par ces petits blocs de construction. Cette idée est également l’une des forces motrices de l’approche des blocs de construction dans les matériaux hybrides.

Formation in situ des composants [ modifier ]]

La formation in situ des matériaux hybrides est basée sur la transformation chimique des précurseurs utilisés dans la préparation des matériaux. En règle générale, c’est le cas si des polymères organiques sont formés mais aussi si le processus Sol – Gel est appliqué pour produire la composante inorganique. Dans ces cas, des molécules discrètes bien définies sont transformées en structures multidimensionnelles, qui présentent souvent des propriétés totalement différentes des précurseurs d’origine. Des molécules généralement simples et disponibles sont appliquées et la structure interne du matériau final est déterminée par la composition de ces précurseurs mais également par les conditions de réaction. Par conséquent, le contrôle de ce dernier est une étape cruciale dans ce processus. Le changement d’un paramètre peut souvent conduire à deux matériaux très différents. Si, par exemple, l’espèce inorganique est un dérivé de silice formé par le processus sol – gel, le passage de la base à la catalyse acide fait une grande différence car la catalyse de base conduit à une microstructure plus de type particule tandis que la catalyse acide conduit à un polymère comme la microstructure. Par conséquent, la performance finale des matériaux dérivés dépend fortement de leur traitement et de son optimisation.

Formation in situ de matériaux inorganiques [ modifier ]]

De nombreux matériaux classiques à l’état solide inorganiques sont formés à l’aide de précurseurs solides et de processus à haute température, qui ne sont souvent pas compatibles avec la présence de groupes organiques car ils sont décomposés à des températures élevées. Par conséquent, ces processus à haute température ne conviennent pas à la formation in situ de matériaux hybrides. Les réactions utilisées devraient avoir plus le caractère de la formation de liaisons covalentes classiques dans les solutions. L’un des processus les plus importants qui répondent à ces demandes est le processus sol-gel. Cependant, ces processus de température plutôt basse ne conduisent souvent pas à la structure thermodynamiquement la plus stable mais à des produits cinétiques, qui ont des implications pour les structures obtenues. Par exemple, les matériaux inorganiques dérivés à basse température sont souvent amorphes ou la cristallinité n’est observée que sur une très petite échelle de longueur, c’est-à-dire la plage nanométrique. Un exemple de ce dernier est la formation de nanoparticules métalliques dans des matrices organiques ou inorganiques par réduction des sels métalliques ou des précurseurs organométalliques.

Certaines méthodes de formation in situ de matériaux inorganiques sont:

• Processus sol-gel
• Processus sol-gel non hydrolytique
• Réactions sol – gel des non-silicates

Formation de polymères organiques en présence de matériaux inorganiques préformés [ modifier ]]

Si la polymérisation organique se produit en présence d’un matériau inorganique pour former le matériau hybride que l’on doit distinguer plusieurs possibilités de surmonter l’incompatibilité des deux espèces. Le matériau inorganique ne peut avoir aucune fonctionnalisation de surface mais la surface du matériau nu; Il peut être modifié avec des groupes organiques non réactifs (par exemple les chaînes alkyle); ou il peut contenir des groupes de surface réactifs tels que les fonctionnalités polymérisables. Selon ces conditions préalables, le matériau peut être prétraité, par exemple, une surface inorganique pure peut être traitée avec des tensioactifs ou des agents de couplage de silane pour le rendre compatible avec les monomères organiques, ou des monomères fonctionnels peuvent être ajoutés qui réagissent avec la surface du matériau inorganique. Si le composant inorganique a des groupes organiques non réactifs attachés à sa surface et qu’il peut être dissous dans un monomère qui est ensuite polymérisé, le matériau résultant après la polymérisation organique, est un mélange. Dans ce cas, la composante inorganique n’interagit que faiblement ou pas du tout avec le polymère organique; Par conséquent, un matériau de classe I est formé. Les matériaux homogènes ne sont obtenus dans ce cas que si l’agglomération des composantes inorganiques dans l’environnement organique est empêchée. Cela peut être réalisé si les interactions entre les composantes inorganiques et les monomères sont meilleures ou du moins les mêmes qu’entre les composants inorganiques. Cependant, si aucune interaction chimique forte ne se forme, la stabilité à long terme d’un matériau autrefois homogène est discutable en raison des effets de diffusion dans le matériau hybride résultant. Plus l’interaction respective entre les composants est forte, plus le matériau final est stable. L’interaction la plus forte est obtenue si des matériaux de classe II sont formés, par exemple avec des interactions covalentes.

Matériaux hybrides par formation simultanée des deux composants [ modifier ]]

La formation simultanée des polymères inorganiques et organiques peut entraîner le type le plus homogène de réseaux interpénétrants. Habituellement, les précurseurs du processus sol-gel sont mélangés avec des monomères pour la polymérisation organique et les deux processus sont effectués en même temps avec ou sans solvant. En appliquant cette méthode, trois processus sont en concurrence les uns avec les autres:

(a) La cinétique de l’hydrolyse et de la condensation formant la phase inorganique,
(b) la cinétique de la polymérisation de la phase organique, et
(c) La thermodynamique de la séparation de phases entre les deux phases.

En adaptant la cinétique des deux polymérisations de telle manière qu’ils se produisent simultanément et rapidement, la séparation de phases est évitée ou minimisée. Des paramètres supplémentaires tels que des interactions attractives entre les deux fragments, comme décrit ci-dessus, peuvent également être utilisés pour éviter la séparation de phases.

Un problème qui découle également de la formation simultanée des deux réseaux est la sensibilité de nombreux processus de polymérisation organique pour les conditions sol-gel ou la composition des matériaux formés. Les polymérisations ioniques, par exemple, interagissent souvent avec les précurseurs ou les intermédiaires formés dans le processus sol – gel. Par conséquent, ils ne sont généralement pas appliqués dans ces réactions.

Applications [ modifier ]]

Les références [ modifier ]]