Axes de recherche

Dans la vaste thématique des matériaux fonctionnels, le CQMF concentre ses activités autour de trois axes de recherche fondamentale, les polymères, les nanosciences et l’auto-assemblage/fabrication additive, permettant ainsi de développer des matériaux, des dispositifs et des technologies répondant à des besoins spécifiques de notre société, représentés par ses axes de recherche appliqués: les applications biomédicales, énergétiques et pour le développement durable.

La force de la recherche au CQMF réside dans une approche stratégique où les trois axes fondamentaux se complètent, offrant un socle de connaissances et d’outils essentiels qui soutiennent les défis spécifiques rencontrés dans les axes orientés vers les applications pratiques. Cette dynamique d’échange continu et de soutien mutuel crée une programmation robuste et cohérente. En outre, la plupart des membres sont actifs dans plusieurs axes, habituellement associant un axe fondamental à un des axes appliqués, ce qui favorise une collaboration transdisciplinaire et une recherche diversifiée.

Polymères

Les experts du Québec dans la synthèse « sur mesure » de polymères fonctionnels, leurs caractérisations physico-chimiques et leur simulation, se retrouvent au sein du CQMF. Ces polymères se distinguent par la présence de fonctions chimiques spécifiques leur conférant des propriétés particulières (optiques, électriques, magnétiques, catalytiques, d’autoassemblage, mécaniques). Cet axe est en synergie avec les axes appliqués.

Thème 1 – Aspects fondamentaux : synthèse et simulation Pour comprendre l’appliqué, et l’alimenter, la compréhension fondamentale des polymères est primordiale. Pour viser une réduction de l’impact environnemental, des voies synthétiques moins coûteuses sont recherchées (p.ex. hétéroarylation directe, synthèse à base de polylactides). Pour parfaire ce développement, il faut lui adjoindre des approches théoriques : les simulation multi-échelles permettent d’appréhender les propriétés mesurées selon une vision moléculaire, ce qui permet de modifier les polymères, et donc de concevoir des matériaux fonctionnels performants.

Thème 2 – Polymères fonctionnels Découlant directement des travaux du thème précédent, le thème 2 vise à développer des polymères présentant des propriétés spécifiques, tels que les polymères bioactifs/biocompatibles (cargos moléculaires pour libération d’agents thérapeutiques; matériaux pour prothèses n’engendrant pas de réaction adverse); photo/électroactifs (polymères conducteurs sans dérivés organométalliques) et biodégradables (dérivés de la cellulose pour électronique imprimée). Ce thème est à l’initiative des activités de recherche des axes appliqués.

Thème 3 – Matériaux hybrides Tout le potentiel des matériaux y est traité. On y combine plusieurs constituants : polymères organométalliques (p.ex. pour diodes électroluminescents); copolymères obtenus par polymérisation statistique; composites protéines-polymères; polymères auxétiques (soit des polymères avec un coefficient de Poisson négatif) fonctionnalisés avec des nanoparticules.

Nanosciences

Cet axe concerne la conception, l’étude, la synthèse et la caractérisation de matériaux fonctionnels à l’échelle nanométrique. Sa caractéristique réside dans la synergie entre la théorie et les expériences. En outre, cet axe, très complémentaire à l’auto-assemblage/fabrication additive, pose les fondations pour les thèmes de recherche des axes appliqués

Thème 1 – Nanomatériaux fonctionnels Morphologie, structure (p.ex. phases cristallines) et composition : une compréhension approfondie de ces aspects permet à nos membres de concevoir, synthétiser et fonctionnaliser des matériaux ayant les fonctionnalités désirées. Nos travaux abordent toute la gamme des nanomatériaux : architectures 1D (nanotubes, nanofils), 2D (graphène et dérivés; hétérostructures Van der Waals) et 3D (nanoalliages à haute entropie, nanoparticules luminescentes, points quantiques, dendrimères). L’amélioration des voies synthétiques, p.ex. dans le but de marier efficacité et réduction des sous-produits, fait aussi l’objet de nos travaux.

Thème 2 – Architectures biomimétiques Ce thème vise à modifier des architectures biologiques existantes afin de les fonctionnaliser. Citons l’incorporation de propriétés désirés (fluorescence, conductivité, sensibilité aux stimulis) dans les biomatériaux par ingénierie génétique, ou la conception d’architectures composites incluant biomatériaux et matériaux inorganiques. Les biomatériaux peuvent aussi servir de matrice dégradable pour la synthèse d’autres nanomatériaux. Un des objectifs de ce thème consiste à produire des matériaux fonctionnels ou des dispositifs (p.ex. capteurs) ayant une empreinte écologique très réduite.

Thème 3 – Caractérisation et études théoriques des nanomatériaux Ce thème se décline en deux volets complémentaires: 1) les méthodes expérimentales pour déterminer des propriétés spécifiques des nanomatériaux; 2) les simulations et les calculs permettant de comprendre et prévoir ces propriétés. Le premier volet concerne p.ex. la microscopie térahertz ou l’étude des changements de phase par microscopie à transmission dynamique. Le deuxième regroupe les simulations DFT (pour déterminer p.ex. la densité d’états électronique), l’apprentissage profond et les modélisations des mesures expérimentales (p.ex. spectres Raman). Ce thème, une nouveauté dans la programmation scientifique, repose entre autres sur l’expertise de membres de la relève professorale.

Auto-assemblage et fabrication additive

Depuis la création du CQMF, cet axe représente l’un des points forts du regroupement. Basée sur l’expertise accumulée depuis des décennies, la recherche sur l’auto-assemblage moléculaire relèvera de nouveaux défis, notamment la fabrication additive. Cet axe, complémentaire aux axes polymères et nanosciences, vise à assembler l’infiniment petit pour de grandes réalisations.

Thème 1 – Contrôle des interfaces La composition et morphologie des surfaces déterminent de nombreuses propriétés. Ainsi, nos travaux visent à concevoir, caractériser et modifier les interfaces à l’échelle moléculaire. Pour ce faire, nous avons recours à des techniques de caractérisation à la fine pointe (microscopie, p.ex. à force atomique, à angle Brewster ou électronique; Raman, DRX) et surtout à l’expertise de nos professionnel.le.s de recherche. Nous travaillons sur deux grandes familles d’interfaces : 1) « dures » comme les métaux ou les oxydes, cruciaux pour la catalyse; 2) « molles », comme les polymères. Les revêtements antigivrage sont issus de la recherche conjointe sur les deux types d’interfaces.

Thème 2 – Assemblage ascendant de nanostructures La compréhension de l’auto-assemblage permet de créer des architectures complexes composées d’entités moléculaires élémentaires. Citons les acides nucléiques (« nanotechnologie d’ADN »), les polymères (p.ex. copolymères à bloc), les lipides, mais aussi des complexes basés sur la reconnaissance moléculaire (p.ex. aptamères). La chiralité joue souvent un rôle-clé. Les architectures obtenues servent p.ex. de vecteur pour médicaments. L’efficacité extraordinaire des vaccins à ARNm, enveloppé dans nanoparticules lipidiques, démontrent l’impact tangible de ces recherches.

Thème 3 – Matériaux poreux Ce thème rassemble la synthèse et la caractérisation de structures cristallines et solides à porosité contrôlé. Citons surtout les matériaux à charpente métallo-organique (MOFs), qui font l’objet d’intenses recherches collaboratives visant le stockage des gaz et leur conversion (p.ex. valorisation du CO₂). Mentionnons ensuite les cristaux mixtes ou des structures à charpente organique covalente (COFs), qui peuvent montrer des propriétés dynamiques grâces à des liaisons chimiques réversibles.

Thème 4 – Cristaux liquides Présentant une forte synergie avec l’axe 1, ce thème est dédié à des matériaux qui résistent à la cristallisation formant des phases de cristaux liquide. Ces matériaux incluent des polymères et des hybrides avec nanoparticules qui permettent de moduler les fonctionnalités du cristal liquide. La réponse aux stimulis est une autre caractéristique distinctive qui ouvre la voie à des applications technologiques (actionneurs, robots souples).

Thème 5 – Fabrication additive Un thème éminemment transversal que nous abordent d’un point de vue unique : celui de l’assemblage moléculaire. Notamment, nous travaillons sur : 1) le développement d’intrants d’impression (encres, polymères), 2) leurs propriétés physicochimiques (rhéologie), 3) leur fonctionnalisation; 4) les processus physicochimiques lors de l’impression. Un volet de ce thème porte sur la micro- et nanofabrication (capteurs, actionneurs, microsystèmes). La fabrication additive permettra la conception de structures et dispositifs révolutionnaires ainsi que des économies de matière.

Matériaux fonctionnels pour les applications biomédicales

Cet axe vise à développer, mettre au point et caractériser de nouveaux matériaux pour des applications médicales. Les matériaux qui font l’objet des travaux des chercheurs du Centre permettent de réparer, remplacer, ou régénérer des tissus, organes ou systèmes du corps humain, en utilisant des matériaux synthétiques, hybrides synthétiques/biologiques, ou entièrement biologiques. Dans cette optique, les recherches s’orientent autour de trois thèmes à savoir 1) le diagnostic ; 2) la thérapie curative et; 3) l’étude de la structure, la fabrication et la régénération de tissus/organes. Les notions de fabrication additive contribuent également dans chaque thème de manière transversale.

Thème 1 – Matériaux pour le diagnostic Ce thème vise le développement de matériaux qui sondent certains systèmes du corps humain afin d’identifier l’origine des pathologies et de suivre leur évolution dans un objectif de diagnostic précis et précoce. On pense, par exemple, à la conception de molécules qui permettent d’étudier des problèmes pharmacodynamiques et pharmacocinétiques de pathologies telles que le cancer, les infections virales ou l’hypercholestérolémie. De plus, la synthèse de nanoparticules métalliques ou dopées qui ciblent spécifiquement des pathologies ou améliorent la qualité des images obtenues dans différentes modalités d’imagerie médicale est réalisée. Les chercheurs travaillent également au développement de nanosondes pour l’imagerie cellulaire, à l’utilisation de monocouches peptidiques pour la détection de ligands biochimiques ou encore au développement de micro-aiguilles pour la détection de différents biomarqueurs cutanés.

Thème 2 – Matériaux pour les thérapies Le traitement de pathologies peut se faire par l’utilisation de matériaux fonctionnels développés pour s’attaquer à des cibles spécifiques. Les chercheurs de ce thème développement par exemple des nanoparticules d’or pour permettre une meilleure pénétration des médicaments ophtalmiques à travers la cornée. Des équivalents cutanés psoriasiques sont reconstruits et utilisés pour concevoir des vecteurs de transport de médicaments spécifiques à cette pathologie. Des architectures à base d’ADN ou polymères permettent aussi le relargage ciblé de médicaments. La synthèse de nanomatériaux à base de nanotubes auto-assemblés et des nanosphères ainsi que l’impression 3D d’organes artificiels sont également réalisés dans un objectif thérapeutique dans les domaines du cancer et des maladies cardiovasculaires.

Thème 3 – Étude de la structure, fabrication et régénération de tissus/organes Ce thème regroupe les projets visant la réparation ou le remplacement de tissus ou d’organes du corps humain. Par exemple, le développement d’alliages biodégradables qui présentent des caractéristiques mécaniques adéquates permet de rétablir le diamètre d’artères athérosclérotiques ou d’urètres sténosées. Des travaux ayant pour objectif d’apporter des solutions au traitement du diabète en développant des matériaux fonctionnels pour encapsuler des îlots pancréatiques et des matériaux biomimétiques pour le traitement des maladies vasculaires sont également en cours. Les chercheurs utilisent des stratégies de fonctionnalisation de surface pour construire des patrons peptidiques pour promouvoir l’adhésion, la prolifération et la différenciation de cellules (matures ou souches) pour des applications vasculaires et des échafaudages biologiques pour reconstruire des vaisseaux sanguins dans des bioréacteurs.

Matériaux fonctionnels pour les applications énergétiques

Cet axe positionne le CQMF comme acteur incontournable dans deux filières (batteries et hydrogène) qui font l’objet d’important investissements gouvernementaux. Centrées sur l’étude et la conception des matériaux, nos recherches sont complémentaires à celles d’autres regroupements œuvrant à l’échelle du dispositif, p.ex. le RQEI. Les retombées de l’axe énergie permettront de concrétiser l’ambition de fournir de l’énergie propre et abordable pour tous (Objectif de développement durable numéro 7), et plus en général à la transition vers une société plus durable.

Thème 1 – Batteries Ce thème s’inscrit à part entière dans l’écosystème québécois de la batterie grâce aux collaborations avec les entreprises et contribue à l’amélioration de la batterie Li-ion et au développement des technologies alternatives. Dans le 1^er volet, mentionnons les anodes à base de Si, la conception de cathodes à haut potentiel par chimie combinatoire et les études de caractérisation in-situ ou guidées par techniques d’apprentissage profond. Dans le 2^e : les électrolytes et électrodes pour batteries tout-solide, en forte synergie avec les axes nanoscience et polymères; les batteries Na-ion, à base de S et Zn-air. Mentionnons aussi les électrolytes liquides de nouvelle génération (p.ex. liquides ioniques). Le recyclage des matériaux de batteries est un sujet partagé avec l’axe développement durable.

Thème 2 – Technologies de l’hydrogène Intégré à la Vallée de la transition énergétique grâce à nos membres de l’UQTR, ce thème aborde les matériaux permettant la production, le stockage et l’utilisation de l’H₂ : les catalyseurs pour la (photo)électrolyse de l’eau, les alliages pour le stockage d’H₂ et les catalyseurs pour anodes et cathodes de piles à combustible. Ces travaux reposent très souvent sur les avancées dans les nanosciences (caractérisation et synthèse).

Thème 3 – Photovoltaïque Un incontournable de la transition énergétique, le solaire se base sur des matériaux avancés qui permettent la conception de cellules à rendement de plus en plus élevé et à bas coût. Deux grandes familles de matériaux font l’objet des travaux au CQMF : les polymères et les matériaux inorganiques (pérovskites, semi-conducteurs type p ou n). À cela s’ajoutent les recherches sur des architectures hybrides ou complexes (p.ex. à charpente organique covalente) et sur les accepteurs/donneurs d’électrons.

Thème 4 – Décarbonation et économie d’énergie C’est un thème transversal qui comporte 1) l’amélioration des procédés industriels et métallurgiques par de nouveaux catalyseurs, par l’électrification ou en intervenant sur les matériaux du réacteur, p.ex. électrodes et cuves pour alumineries; 2) les matériaux pour la réduction (électrochimique) du CO₂ en produits à valeur ajouté, p.ex. combustibles.

Matériaux fonctionnels pour le développement durable

Cet axe intègre les axes fondamentaux et les sciences de l’environnement. La spécificité de cet axe réside dans sa grande envergure: fournir des solutions à un grand nombre d’objectifs de développement durable (ODD). Car l’atteinte de ces ODD ne sera possible que grâce à des matériaux combinant performance accrue et une diminution de leur impact environnemental, ainsi qu’une compréhension moléculaire des systèmes environnementaux.

Thème 1 – Matériaux et procédés durables: de la conception au recyclage (ODD 9,12,13) Le recyclage est désormais au cœur de la programmation du CQMF : citons les procédés durables de lixiviation pour la récupération des métaux dans les circuits imprimés ou le recyclage des métaux et de graphite des batteries.

Thème 2 – Matériaux pour le monitorage environnemental (ODD 6, 11) Ce thème traditionnel du CQMF est dédié à la conception de capteurs ciblant des analytes spécifiques et intègre maintenant autant de nouveaux matériaux actifs (nanomatériaux 2D comme le graphène et les dichalcogénures métalliques) que des procédés de fabrication (électronique imprimée)

Thème 3 – Détection et étude des contaminants (ODD 6, 14, 15) Au CQMF, les contaminants sont considérés comme « matériaux fonctionnels » à part entière, bien qu’indésirables. Ce thème se penche surtout sur les contaminants dits « émergents » (micro- ou nanoplastiques; composés perfluorés, résidus miniers) dont la connaissance est encore limitée. Il relève le défi d’étudier les contaminants dans de matrices complexes. On parle par exemple d’études de distribution et de biodisponibilité de contaminants, de systèmes colloïdales et de la formation de biofilms.

Thème 4 – Matériaux pour la réhabilitation d’environnements contaminés (ODD 6, 14, 15) Ce thème vise la mise au point des procédés de décontamination performants. Les systèmes visés sont notamment les eaux et les matériaux fonctionnels développés exploitent les connaissances en nanotechnologie, polymères et systèmes auto-assemblés : des (nano)adsorbants, des agents séquestrants ou de floculation et des fibres. Ces connaissances bénéficieront aussi aux procédés miniers (traitement des effluents).

Thème 5 – Matériaux pour applications en agriculture (ODD 2) Ce thème, une nouveauté dans la programmation CQMF, développe des nanomatériaux fonctionnels visant à améliorer le rendement agricole sans pour autant avoir d’impacts nocifs sur l’environnement. Esquissés dans un article de révision collectif de 2020 (Nature Food), les sujets de recherche incluent p.ex. les MOFs métaux-porphyrine dont les propriétés photocatalytiques permettent de détruire des pathogènes in situ.