Des matériaux répondant aux stimuli sont étudiés et développés à l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN). Ce sont des matériaux dont la forme, la couleur ou la lumière émise, changent suite à un stimulus, telle que la température, un choc mécanique ou un champ électrique. Un certain nombre de ces matériaux sont utilisés au quotidien (Figure 1). Il existe par exemple des matériaux qui changent de couleur avec la température comme le logo au fond des poêles Tefal® pour indiquer que la température est optimale pour la cuisson des aliments. Il est aussi possible de trouver des matériaux qui changent de couleur avec la luminosité comme les verres de lunettes qui se colorent au soleil. Au laboratoire, nous nous intéressons plus particulièrement aux matériaux dont les propriétés de luminescence changent sous l’effet d’une force mécanique externe comme un choc. La luminescence est la propriété d’émettre de la lumière. Ces matériaux sont utiles pour la détection de chocs ou de contraintes et sont appelés matériaux luminescents mécanochromes.

      Une grande diversité de matériaux luminescents mécanochromes existent. Ils peuvent être à base de composés organiques (molécules contenant des atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H)) ou de métaux (cuivre, or, platine, plomb, …). Parmi les matériaux à base de métaux, les complexes à base d’iodure de cuivre, notés [Cu_xI_yL_z] avec L le ligand organique, sont particulièrement intéressants (Figure 2). Les ligands sont des molécules organiques capables de se lier aux atomes métalliques comme dans notre cas ici, le cuivre. Des recherches sont menées sur ces complexes car ils présentent une grande diversité structurale grâce aux différents agencements des atomes d’iode et de cuivre et à la variété de ligands organiques possibles (Figure 2). Ces ligands sont de nature chimique très variée ce qui permet de modifier les propriétés du matériau. En plus de présenter des propriétés de luminescence remarquables, ces complexes présentent également des avantages économiques et écologiques. En effet, en comparaison aux autres composés à base de métaux, le cuivre est moins cher que le platine et moins toxique que le plomb, par exemple.

       Élaborer des matériaux luminescents mécanochromes, c’est un peu comme la cuisine, les ingrédients, appelés réactifs en chimie, qui sont l’iodure de cuivre et le ligand organique sont mélangés (Figure 3). Ensuite, le solvant est ajouté, c’est le milieu pour la réaction chimique, en cuisine, c’est l’eau. Tous les réactifs sont solubles dans le solvant, une solution limpide est obtenue. La solution est mise sous agitation à température ambiante pendant plusieurs heures pour que les réactifs réagissent et forment le matériau souhaité. Une fois la réaction terminée, le produit de la réaction est obtenu sous forme d’un solide dispersé dans un liquide. Le solide est récupéré et séparé du solvant par filtration. Pour finir, il faut caractériser le matériau afin de confirmer ou déterminer sa composition.

       La première caractérisation est qualitative, elle consiste à observer le matériau sous une lampe UV (Ultra-Violet). Le mécanochromisme de luminescence est très visuel, la couleur d’émission du matériau change lorsqu’il est broyé. Si un changement de luminescence est visible, alors le matériau est mécanochrome. Sur la Figure 4, la couleur d’émission du matériau passe de verte à jaune-orangée avec le broyage, le matériau est donc luminescent mécanochrome. Ensuite, des caractérisations plus avancées sont réalisées, telles que la diffraction des rayons X et les spectroscopies infra-rouge et Raman. Ces caractérisations permettent d’identifier la composition chimique et la structure du matériau et donc l’organisation tridimensionnelle des atomes dans le matériau. La stabilité thermique est également étudiée grâce à l’analyse thermogravimétrique, qui permet de savoir à partir de quelle température le matériau se dégrade. Enfin, une des caractérisations les plus importantes pour les matériaux mécanochromes est la spectroscopie de luminescence. Cette analyse, plus quantitative que l’observation sous lampe UV, permet de mesurer précisément les propriétés d’émission du matériau, comme la couleur et l’intensité de l’émission.

      Une fois les matériaux les plus prometteurs en termes de propriétés de luminescence mécanochromes synthétisés, il est nécessaire de les mettre en forme pour les utiliser comme systèmes de détection de chocs ou de contraintes. En effet, ces matériaux sont obtenus sous forme de poudre, ce qui limite leur utilisation pour de nombreuses applications. Les matériaux peuvent être mis en forme par incorporation dans une matrice polymère afin d’avoir une tenue mécanique. Le matériau peut être appliqué sur différentes surface comme sur du papier par exemple (Figure 5). Lorsqu’aucune contrainte mécanique n’est appliquée, la couleur émise par le matériau (sous lampe UV) est verte. Lorsqu’une contrainte est appliquée comme le frottement pour écrire « Cu » (le symbole chimique du cuivre), la couleur émise devient jaune-orangée. Le matériau permettrait donc de détecter les chocs ou les frottements comme les rayures par exemple. Après un traitement thermique, l’état initial avec une luminescence verte est retrouvé et il est possible d’écrire à nouveau sur le papier, car le mécanochromisme est réversible.

Article écrit par Alexia Rocheteau, doctorante à l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN), sous la direction de Sandrine Perruchas et Hélène Brault. Les trois années de thèse d’Alexia Rocheteau ont été financées par une allocation doctorale de la Région Pays de la Loire (50%) et par le Ministère des Armée - Agence Innovation Défense (AID) (50%). La thèse a également bénéficié d’une aide financière de l’État dans le cadre du projet EUR LUMOMAT et du programme Investissements d’Avenir ANR-18-EURE-0012.