Ressource #4 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Méthode permettant d’accélérer une réaction chimique grâce à l’absorption de la lumière, la photocatalyse peut trouver des applications dans bien des domaines. Depuis plus d’une décennie, des chimistes lyonnais s’efforcent d’améliorer les performances de ce procédé catalytique dans le but de faire émerger de nouvelles applications dans le traitement des eaux usées et la production d’hydrogène vert.

Grain d’oxyde de titane. Photographie prise au microscope électronique à balayage. © Didier COT / CNRS Images

Composants clés de l’industrie électronique, les semi-conducteurs sont devenus indispensables au fonctionnement de nos ordinateurs et de nos smartphones. Le développement de nombreuses autres technologies comme le solaire photovoltaïque dépendent également de l’utilisation de ces matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire située entre les matériaux isolants et les métaux. Si le silicium reste de loin le semi-conducteur le plus répandu, il existe bien d’autres matériaux disposant d’aptitudes similaires. C’est par exemple le cas de l’oxyde de titane (TiO₂), un semi-conducteur privilégié pour effectuer les réactions de photocatalyse. Au sein de l’Institut de recherche sur la catalyse et l’environnement (Ircelyon)¹ le chimiste CNRS Gilles Berhault étudie depuis plusieurs années la possibilité d’activer le TiO₂  à partir d’une source lumineuse. Ainsi irradié, le semi-conducteur produit des espèces chimiques actives, pouvant notamment servir à éliminer les polluants contenus dans les eaux usées provenant d’un hôpital. Outre ce domaine de recherche lié à la dépollution de notre environnement, initialement exploré par les scientifiques du laboratoire, des travaux débutés plus récemment visent à étudier la possibilité de produire également de l’hydrogène en faisant interagir ce même semi-conducteur à base de TiO₂ avec la lumière.

De nouvelles espèces chimiques très actives

Bien que ces deux perspectives d’application puissent sembler très éloignées l’une de l’autre, elles reposent pourtant sur le même principe. « L’irradiation d’un semi-conducteur par une source lumineuse provoque l’éjection d’un électron de sa bande de valence vers sa bande de conduction² , explique le scientifique. Cela donne lieu à la formation d’une lacune appelée trou se comportant comme une charge positive dans la bande de valence de l’atome ayant perdu l’électron tandis que cette particule chargée négativement rejoint la bande de conduction. » C’est finalement par la création de ces deux nouvelles espèces chimiques très actives, que les scientifiques nomment « paires électron-trou », que des réactions susceptibles de dégrader des polluants ou de produire de d’hydrogène peuvent émerger. Ces paires électron-trou nouvellement créées ont toutefois tendance à se recombiner continuellement les unes avec les autres. Or ces phénomènes de recombinaison réduisent de manière drastique l’activité du semi-conducteur. Afin de renforcer la stabilité des paires électron-trou, l’équipe de Gilles Berhault a donc testé la possibilité d’adjoindre au semi-conducteur TiO₂ un composant ferroélectrique.

Stimuler la photocatalyse en combinant les matériaux

Cette classe de matériaux a en effet tendance à se polariser spontanément, ce qui se traduit par une séparation permanente des charges électriques positives et négatives au niveau de la structure macroscopique du matériau. Les électrons produits dans un semi-conducteur combiné à un ferroélectrique vont alors avoir tendance à se diriger vers la partie de ce matériau chargée positivement. Dans le même temps, les lacunes, qui sont chargées positivement, vont être attirées vers sa partie chargée négativement. « Parce qu’il contribue à éloigner l’électron du trou qu’il a laissé dans la bande de valence, l’ajout d’un élément ferroélectrique permet de limiter le processus de recombinaison. Les paires électron-trou étant alors davantage disponibles pour participer à la réaction de photocatalyse, l’efficacité de cette dernière est censée augmenter de façon significative », souligne Gilles Berhault.

Pour le vérifier, les chimistes lyonnais ont eu recours à du titanate de baryum (BaTiO₃). Ce matériau cristallin à la structure cubique présente deux phases distinctes : une où il est ferroélectrique et une autre où il ne l’est pas. Le fait que le BaTiO₃ existe sous ces deux formes permet ainsi de mesurer le bénéfice du caractère ferroélectrique lors d’une réaction de photocatalyse. Après avoir déposé du TIO₂ sur des échantillons de BaTiO₃ appartenant à chacune des deux catégories, l’équipe a exposé ces matériaux hybrides à un rayonnement ultraviolet.

Photocatalyse: produire de l’hydrogène vert grâce à la lumière © Emilie Josse

La photo-thermo-catalyse se profile à l’horizon

Un premier protocole expérimental destiné à mesurer l’apport de la ferroélectricité dans la dégradation de polluants, s’est déroulé en présence d’acide formique³. Une analyse menée en parallèle a également permis d’estimer la production d’hydrogène à partir de ces mêmes matériaux hybrides : « En ce qui concerne la dégradation des polluants, les systèmes combinant le semi-conducteur avec un ferroélectrique se sont avérés jusqu’à 2,5 fois plus actifs que les systèmes non-ferroélectriques. Pour le volet production d’hydrogène, ces mêmes systèmes ferroélectriques ont démontré une activité jusqu’à vingt fois supérieure aux systèmes qui ne disposaient pas de cette propriété », détaille Gilles Berhault. De premières études visant à estimer le niveau de rendement d’un tel procédé employé à des fins de production d’hydrogène laissent entrevoir une multiplication par cinq à dix par rapport aux méthodes actuellement utilisées en photocatalyse.

Réacteur photocatalytique fonctionnant sous température (120°C) et pression (5 bars) pour la production d’hydrogène – Le réacteur est illuminé par le bas à partir d’une lampe LED Philips PL-L 18W UVA © Gilles Berhault

Dans le but d’augmenter encore ce gain de productivité, une nouvelle approche scientifique est d’ores et déjà envisagée par les chimistes de l’Ircelyon. Celle-ci consiste à combiner un ferroélectrique avec un TiO₂ et un MXène⁴. Disposant à la fois d’une bonne conductivité électrique et d’une bonne conductivité thermique, les MXènes sont à même d’augmenter le transfert de chaleur ajouté à un processus de photocatalyse et lui permettre ainsi de fonctionner encore plus efficacement. « La principale difficulté de ce nouvel axe de recherche qui vise à recourir à la photo-thermo-catalyse pour atteindre un niveau de production d’hydrogène encore plus élevé sera de parvenir à faire fonctionner en synergie les gains positifs associés à chacun de ces trois matériaux », précise Gilles Berhault.

Si les scientifiques parviennent à relever ce défi, l’utilisation de ce procédé pour produire de l’hydrogène vert pourrait notamment être envisagée à partir des déchets végétaux générés par une exploitation agricole dans la perspective d’assurer son autonomie  .

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – janvier 2026

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¹ Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1

² La bande de valence correspond à la bande d’énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion entre atomes voisins au sein d’un même matériau solide. Dans un semi-conducteur, la bande de valence est relativement proche d’une autre bande d’énergie appelée bande de conduction dans laquelle certains électrons peuvent migrer lorsque le matériau est soumis à un apport d’énergie par chauffage, application d’un champ électromagnétique ou irradiation lumineuse.

³ Ce composé organique est une molécule modèle employée pour déterminer la capacité d’un photocatalyseur à éliminer des polluants présents en milieu aqueux. La dégradation de l’acide formique correspond en effet à l’étape ultime de minéralisation (dégradation complète) d’une vaste famille de polluants présentant des caractéristiques similaires à l’acide formique.

⁴ Composés bidimensionnels en forme de feuillets découverts en 2011, les MXènes disposent d’un large éventail de propriétés en raison de la grande variété d’atomes susceptibles de les constituer.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-APRICOT-AAPG2022. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).

Ressource #6 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Fruit de l’association d’un métal et d’un ligand organique¹, les réseaux métallo-organiques disposent de propriétés inédites laissant entrevoir de futures applications dans les domaines de la santé, de l’environnement ou de l’énergie. Portant sur l’un de ces matériaux hybrides, les travaux de la chimiste Aude Demessence révèlent ses potentialités en matière de thermoélectricité et de stockage de données.

Les réseaux métallo-organiques, ou en anglais metal organic frameworks (MOFs), sont des solides hybrides (organique/inorganique) micro- ou méso-poreux ordonnés. © Bertrand REBIERE / ICGM / CNRS Images

En octobre dernier, le prix Nobel de chimie était conjointement accordé à Richard Robson, Susumu Kitagawa et Omar Yaghi. La prestigieuse récompense saluait les contributions pionnières de ces trois scientifiques dans le développement des tous premiers réseaux métallo-organiques (MOFs), des matériaux hybrides et poreux pouvant être assemblés comme des Lego®. S’inscrivant dans la lignée de ces travaux, les recherches que mène l’équipe d’Aude Demessence à l’Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement de Lyon (Ircelyon)² se focalisent sur une famille spécifique de MOFs. Qualifiées de polymères³ de coordination, les structures auxquelles s’intéressent ces scientifiques associent un métal monétaire, tel que le cuivre, l’or ou l’argent, à une molécule organique. Un ligand à base de soufre fixé aux ions métalliques assure quant à lui la liaison avec le matériau organique. Tandis que les MOFs récompensés par le prix Nobel de chimie 2025 disposent d’une structure tridimensionnelle, les matériaux hybrides conçus par Aude Demessence présentent une architecture en une ou deux dimensions. « Les polymères de coordination que nous développons sont des matériaux anisotropes, c’est-à-dire qu’ils disposent de propriétés physiques qui varient selon leur orientation spatiale, souligne la chimiste des matériaux du CNRS. La configuration mono et bidimensionnelle limitant les directions dans lesquelles les électrons vont pouvoir se propager, la conductivité électrique du matériau s’en trouve ainsi renforcée. »

À gauche : structure d’un polymère de coordination monodimentionnel (1D MOF) et à droite : structure d’un polymère de coordination bidimentionnel (2D MOF). © Aude Demessence

Un câble électrique à l’échelle nanométrique

Ces polymères d’un genre nouveau se présentent sous la forme d’un « sandwich moléculaire » dans lequel le matériau organique constitué d’un assemblage d’atomes de carbone et de soufre est emprisonné entre deux couches d’une structure inorganique. Celle-ci a l’apparence d’un feuillet en deux dimensions au sein duquel alternent des chapelets d’atomes métalliques (cuivre, or ou argent) et des chapelets d’atomes de soufre. À travers cette nouvelle forme de matériaux hybrides, les scientifiques lyonnais cherchent à reproduire à l’échelle nanométrique les propriétés d’un câble électrique. « Si les matériaux inorganiques comme le cuivre sont réputés pour leur excellente conductivité électrique, ils présentent l’inconvénient de diffuser une trop grande quantité de chaleur, ce qui n’est pas sans poser des problèmes de déperdition d’énergie et d’échauffement, explique Aude Demessence. Le fait d’adjoindre une partie organique à ces matériaux vise donc à leur octroyer une faible conductivité thermique. » Outre une bonne conductivité électrique et une faible conductivité thermique, un polymère de coordination doit aussi disposer d’un coefficient de Seebeck élevé⁴ s’il veut prétendre à de futures applications thermoélectriques telles que la capacité de convertir la chaleur en électricité.

Polymères de coordination : des matériaux hybrides aux propriétés inédites © Emilie Josse

Record battu pour un polymère de coordination

L’un des polymères de coordination à base de cuivre mis au point par l’équipe d’Aude Demessence satisfait la plupart de ces conditions. Le matériau en question dispose en effet d’une faible conductivité thermique attestant de son pouvoir isolant. Son coefficient de Seebeck avoisine pour sa part les 420 μV/K, ce qui constitue un record pour un polymère de coordination. Si sa conductivité électrique reste encore très modeste⁵ pour pouvoir envisager dès à présent des développements dans le domaine de la thermoélectricité, plusieurs pistes sont déjà à l’étude pour tenter d’améliorer ce paramètre à l’aide de l’ingénierie moléculaire. « Cette approche va non seulement nous permettre de jouer sur la structuration et la dimensionnalité du polymère mais aussi de tester les effets bénéfiques d’autres ligands sur la conductivité électrique », précise la chimiste de l’Ircelyon. D’autres voies d’amélioration seront également explorées par les scientifiques comme le dopage résultant de l’insertion d’autres atomes métalliques ou la modification de la mise en forme du polymère dans la perspective de réduire la porosité entre ses différents constituants chimiques. Objectif de ces différents ajustements : faire en sorte que ce matériau hybride tende vers une conductivité électrique proche de celle des polymères de coordination les plus performants dans ce domaine⁵. Auquel cas, des applications allant de la conversion de la chaleur issue de cheminées d’usines en électricité à la fabrication d’une montre alimentée par la chaleur de la peau pourraient voir le jour dans les années à venir.

Insertion d’un échantillon de MOF au cours d’une expérience de diffraction des rayons X sur la ligne CRISTAL au synchrotron SOLEIL sur le site de l’université Paris-Saclay. De gauche à droite: Stéphane Pailhès, Erik Elkaïm et Chloé Andrade. © Aude Demessence

Vers un stockage de l’information plus vertueux

À la différence des matériaux inorganiques tels que le verre ou les céramiques, les polymères de coordination disposant d’une fraction organique se révèlent à la fois résistants et flexibles. Deux caractéristiques qui offrent la possibilité de contrôler facilement leur forme à l’échelle nanométrique⁶. Ces matériaux sont en outre capables de passer d’une phase cristalline – état actif équivalent au 1 du système informatique binaire⁷ – à une phase amorphe – état inactif assimilable au 0 – en réaction à une simple variation de température. Pour doter leur polymère de coordination à base de cuivre de cette capacité, les chimistes d’Ircelyon entendent une nouvelle fois recourir au design moléculaire. Visant à concevoir une nouvelle forme de mémoire informatique à très petite échelle, ces travaux entendent ainsi proposer une alternative plus vertueuse aux solutions reposant sur l’utilisation de chalcogénures⁸ « Alors que ces matériaux inorganiques nécessitent une augmentation de température de l’ordre de 600°C pour déclencher un changement de phase, une hausse de seulement 150°C suffit pour aboutir au même résultat avec notre polymère de coordination », indique Aude Demessence. Outre la perspective de réduire significativement la consommation d’énergie des futurs dispositifs de stockage de données de dimension nanométrique, ce MOF présente l’avantage d’être très peu toxique à la différence des chalcogénures. Deux qualités qui font de ce matériau hybride un sérieux candidat pour la conception de mémoires informatiques à la fois plus durables et performantes.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – janvier 2026

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¹ Molécule intégrant au moins un atome de carbone lié à au moins un atome d’hydrogène qui vient se fixer à un métal pour lui octroyer une nouvelle propriété.

² Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1

³ Substance composée de molécules caractérisées par la répétition, un grand nombre de fois, d’un ou de plusieurs atomes ou groupes d’atomes.

⁴ Le coefficient de Seebeck correspond à la tension générée par l’application d’un gradient de température. Ce paramètre qui se mesure le plus souvent en microvolts par kelvin (μV/K), reflète l’efficacité thermoélectrique d’un matériau, c’est-à-dire sa capacité à convertir de la chaleur en énergie électrique. Le coefficient de Seebeck d’un matériau est considéré comme élevé à partir de de 100 µV/K.

⁵ Mesurée en siemens par centimètre (S/cm), la conductivité électrique atteint 0,0015 S/cm pour ce matériau, ce qui reste très loin des 2000 S/cm obtenu en 2020 pour un autre polymère de coordination à base de cuivre développé par une équipe américaine.

⁶ Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (10^-9 m), soit approximativement la distance entre deux atomes d’une même molécule.

⁷ Langage informatique dans lequel les données et instructions sont représentées par des combinaisons de uns et de zéros. Cela permet ainsi de stocker efficacement de grandes quantités de données tout en offrant un moyen simple de les traiter et de les analyser.

⁸ Famille de matériaux employés principalement dans le domaine de l’optique ayant la particularité d’être constitués d’éléments dits “chalcogènes” comme le tellure, le soufre, le sélénium ou l’arsenic.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-MOTIC-AAPG2021. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2021 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 21).

Des confins de l’Univers à l’air que l’on respire, l’hydrogène est partout. Cet élément chimique abondant, léger et simple pourrait constituer une piste prometteuse pour la transition énergétique. Et s’il devenait possible de produire de l’hydrogène, ainsi que d’autres molécules utiles, à partir de déchets végétaux ? En véritables chorégraphes de ce ballet moléculaire, des scientifiques vous dévoilent les mystères à l’origine de ce qui constituera peut-être l’une des énergies de demain.

Cette conférence immersive des Échappées inattendues du CNRS a été enregistrée le 30 juin 2025 au Planétarium de Vaulx-en-Velin, dans le cadre des journées hydrogènes. Cette rencontre est organisée par le CNRS et le Planétarium de Vaulx-en-Velin, en collaboration avec RSA Cosmos. L’univers visuel a été réalisé par l’artiste Alex Andrix et l’ambiance sonore par Gahel.

Intervenants :

• Antoinette Boreave, ingénieure de recherche CNRS et Philippe Vernoux, directeur de recherche CNRS, de l’Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement de Lyon (Ircelyon, CNRS | Université Claude Bernard Lyon 1).

Cette rencontre a été financée par la Région Auvergne-Rhône-Alpes.

Dans un contexte industriel où la durabilité des matériaux devient un enjeu majeur, deux chercheurs du laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères (IMP) ont mis au point une nouvelle approche pour rendre les matériaux thermodurcissables beaucoup plus résistants aux fissures. Simple dans son principe et très efficace dans ses résultats, cette innovation pourrait contribuer au développement de matériaux à la fois plus solides et plus durables.

Les matériaux thermodurcissables occupent une place centrale dans l’industrie moderne. Résines époxy, composites, colles structurales ou revêtements anticorrosion : ils forment la colonne vertébrale d’applications allant du transport terrestre aux technologies spatiales.

Leur rigidité et leur capacité à conserver leurs propriétés en conditions extrêmes en font des alliés précieux. Pourtant, ces matériaux présentent une faiblesse critique : une fissure qui s’initie à la suite d’un choc se propage souvent très rapidement, menant à une rupture brutale.

Dans un contexte où ces matériaux ne sont pas recyclables, augmenter leur résistance et leur durée de vie devient un enjeu majeur à la fois scientifique, industriel et environnemental.

Vous vous êtes déjà demandé comment on peut détecter le sang et les autres fluides corporels sur une scène de crime? Ou comment fonctionne la lumière bleue et le luminol qu’on voit dans les séries télévisées ?

Du neuf Docteur ? vous explique tout ce qu’il faut savoir pour révéler les indices d’une scène de crime.

Par : Du neuf Docteur ?

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Du neuf docteur ?

Du Neuf Docteur ? vous parle du Prix Nobel de Physiologie 2025 qui a été remis aux Dr Susumu Kitagawa, Dr Richard Roboson et Dr Omar M. Yaghi pour leur travail sur des matériaux capables d’absorber, stocker et trier des molécules comme une éponge. 

Ces chercheurs ont découvert les structures métallo-organiques, ou MOF (Metal–Organic Frameworks). Cette découverte ouvre la voie vers de nouvelles technologies révolutionnaires, et Du Neuf Docteur vous explique tout ça dans cette vidéo!

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Du neuf docteur ?

Pourquoi une fleur de rose sent-elle… la rose ? Des scientifiques ont analysé la composition chimique de parfums de fleurs, dont les composés volatils servent à plaire, mais aussi à se défendre.

Plante ornementale la plus cultivée du monde, prisée depuis l’Antiquité pour sa beauté et son parfum, la rose n’a pourtant pas encore livré tous ses secrets. Car, si les composants de ses effluves sont analysés depuis plusieurs décennies par les chimistes, leurs liens avec la perception de l’odeur de rose par les humains n’avaient été que très peu étudiés.

Pourquoi certaines fleurs exhalent-elles une fragrance plus typique de la rose que d’autres ? Quelles molécules rendent leurs parfums agréables ? attractifs ? floraux ? fruités ? La collaboration scientifique française interdisciplinaire qui s’est attelée à ces questions épineuses vient de publier ses résultats dans la revue iScience. Ces travaux impliquent le Centre de recherche en neurosciences de Lyon et le Laboratoire de biotechnologies végétales appliquées aux plantes aromatiques et médicinales.

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CNRS le journal

Karine Monier, ingénieure de recherche CNRS au laboratoire Pathophysiologie et génétique du neurone et du muscle, a reçu en 2024 la médaille de cristal du CNRS. Seule dans sa bulle ou en équipe, Karine Monier aime réfléchir à la création de nouvelles expériences qui aideront à la compréhension de mécanismes scientifiques complexes.

Ses travaux, à l’interface entre biologie, physique et chimie, ont notamment mené à l’élaboration d’un tampon de clignotement spécifique à la technologie d’imagerie de super-résolution dSTORM qui représente une avancée majeure dans la localisation de molécules uniques. Ce tampon consiste en un agent chimique réducteur contenu dans un environnement dépourvu d’oxygène.

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CNRS

Anis Tlili a reçu la médaille de bronze 2024 de l’organisme.

À l’Institut de chimie et biochimie moléculaires et supramoléculaires, où il est directeur de recherche, Anis Tlili explore la catalyse et la chimie du fluor. Il valorise et remplace ainsi des molécules qui impactent l’environnement.

À l’occasion de cette distinction, il revient sur son parcours et ses travaux de recherche.

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CNRS