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Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique | Un dossier Pop’Sciences et CNRS

QQuand l’ingénierie façonne la recherche scientifique | Un dossier Pop’Sciences et CNRS

Dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGÉNIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique »

Au-delà de l’image d’Épinal du métier d’ingénieur des ponts et chaussés chargé d’aménager le territoire et de concevoir nos infrastructures routières, l’ingénierie intervient dans bien d’autres domaines. De la physique des matériaux à la santé en passant par la préservation de l’environnement et la production d’énergie verte, elle contribue ainsi à faire avancer la recherche scientifique sur tous les plans.

©Émilie Josse

Comme le résumait quelque peu abruptement l’ingénieur en aéronautique hongrois Théodore von Kármán (1881-1963) et premier récipiendaire de la Médaille nationale des sciences des États-Unis « Le scientifique décrit ce qui est, tandis que l’ingénieur crée ce qui n’a jamais existé. » D’un point de vue étymologique, le mot ingénierie provient du latin genere signifiant en effet créer ou produire. En tant que discipline, l’ingénierie recouvre quant à elle l’ensemble des activités de conception et de planification contribuant à la réalisation d’un projet scientifique ou technique. C’est cette démarche que le CNRS et ses partenaires académiques entendent notamment mettre à l’honneur tout au long de cette année universitaire.

Vers une infinité de combinaisons moléculaires

Dans les laboratoires explorant la physique des matériaux, l’ingénierie est devenue une alliée incontournable. Grâce à elle, les scientifiques peuvent désormais façonner de nouveaux polymères plastiques dépourvus de toxicité. L’intégration de liaisons chimiques plus faciles à rompre dans la structure de ces colliers de perles moléculaires contribue par ailleurs à améliorer leur recyclage. Cette ingénierie à l’échelle de la molécule bénéficie également à une nouvelle classe de matériaux hybrides fusionnant un composé organique avec un métal. Conçus à la manière d’un jeu de Lego moléculaire, ces polymères dits « de coordination » offrent une infinité de combinaisons et des perspectives d’applications dans la production et le transport d’électricité ou le stockage d’informations.

Repousser sans cesse les limites de détection

Améliorer les performances des outils d’analyse est un autre domaine dans lequel excellent les sciences de l’ingénierie. D’ici quelques années, sonder les matériaux à l’échelle subatomique pour percer les secrets de leurs propriétés pourrait ainsi devenir réalité en combinant la microscopie électronique à une technique de spectroscopie reposant sur la diffusion d’un faisceau d’électrons. En appliquant les préceptes de l’ingénierie moléculaire, des physiciens ont pu concevoir des tubes polymères de dimension nanométrique – À titre de comparaison, un cheveu humain a une épaisseur d’environ 50 000 nanomètres – recouvert d’une fine couche d’un autre polymère conducteur d’électricité. Parvenir à mettre au point une telle structure ouvre la voie à des détecteurs de photons bien plus précis capables de faire avancer la recherche en physique des particules.
En matière de santé, l’ingénierie est à même de renforcer les capacités d’analyse de l’imagerie médicale. Reposant sur la diffusion d’ultrasons, l’échographie compte parmi les techniques qui pourraient bientôt bénéficier de ces avancées. La mesure du risque d’accident vasculaire cérébral (AVC) ou celle de l’efficacité d’un traitement du cancer par chimiothérapie figurent parmi les nouveaux usages de l’échographie d’ores et déjà testés par les scientifiques.

Faire feu de tout bois avec la photocatalyse

Recourir à l’hydrogène comme source d’énergie fait partie des solutions envisagées par la France et d’autres pays pour assurer leur transition énergétique et tendre ainsi vers la neutralité carbone. Mais pour l’heure, plus de 90% de la production l’hydrogène repose encore sur l’utilisation de ressources fossiles telles que le charbon ou le gaz. Afin de mettre en œuvre des dispositifs de production éco-responsables, des ingénieurs misent sur l’usage de semi-conducteurs intégrant des matériaux ferroélectriques et activés par une source lumineuse. Cette forme de photocatalyse pourrait en outre servir à éliminer certains polluants (antibiotiques, pesticides) accumulés dans le bassin de rétention des eaux usées d’un hôpital ou d’une exploitation agricole.

Il arrive enfin aux spécialistes de l’ingénierie de prendre un peu de hauteur pour améliorer les capacités de détection des satellites chargés de scruter notre planète. Basé sur l’intégration de nouvelles méthodes mathématiques dans un modèle d’observation de la Terre, cette approche vise à renforcer l’acuité des systèmes de télédétection par satellite. Et se faisant d’accéder à des informations jusqu’ici invisibles à l’œil du scientifique comme les variations de température dans chacun des quartiers d’une ville confrontée à une canicule.

En cette Année de l’Ingénierie, Pop’Sciences et la délégation Rhône Auvergne du CNRS mettent à l’honneur la diversité de la recherche scientifique relevant de cette discipline à travers une série de sept articles. Ceux-ci mettent en lumière les travaux du laboratoire Ingénierie des matériaux polymères1, du Centre de recherche en acquisition et traitement de l’image pour la santé2, de l’Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement3, du laboratoire Matériaux ingénierie et science4 et du Laboratoire d’optique atmosphérique5. Ces articles offrent ainsi un aperçu des récentes avancées obtenues dans le domaine de la physique des matériaux, de l’imagerie médicale, de la photocatalyse, ou en ce qui concerne l’étude des propriétés de la matière à l’échelle de ses atomes. À travers ce dossier, nous espérons inspirer les curieux de sciences, montrer la surprenante diversité des métiers de l’ingénierie et éveiller la curiosité des jeunes élèves.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique pour Pop’Sciences et CNRS- Janvier 2026

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1 Unité CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, INSA Lyon, Université Jean Monnet

2 Unité CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Inserm, Insa Lyon

3 Unité CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1

4 Unité CNRS, INSA Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1

5 Unité CNRS / Université de Lille

lles RESSOURCES du dossier :

Dans ce dossier, nous vous invitons à découvrir un aperçu des travaux en cours et des avancés récentes de scientifiques lyonnais. Pour chaque article, les liens avec les programmes scolaires sont proposés.

  • #1 : Coup d’accélérateur sur la modélisation des transferts radiatifs atmosphériques – Publié le 20/01/26 
Surface de la Terre vue de l'espace

Image Nasa/Johnson Space Center

Tout rayonnement qui traverse l’atmosphère est en partie absorbé par les gaz qui la composent. Parce que ces interactions jouent un rôle déterminant dans la simulation des données recueillies par les satellites, elles doivent être modélisées avec précision. En s’appuyant sur une approche novatrice, des scientifiques ont montré qu’il était possible d’effectuer plus rapidement cette opération tout en mobilisant un minimum de ressources informatiques. Ces travaux devraient permettre d’accéder à de nouvelles informations sur les propriétés de l’atmosphère et de la surface terrestre.

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  • #2 : Faciliter le suivi médical des patients grâce aux ultrasons – Publié le 20/01/26 
Réponse impulsionnelle spatiale, appelée "oscillations transverses"

© Hervé LIEBGOTT/CNRS Images

Adaptée à la visualisation de la plupart de nos organes, l’échographie est notamment employée pour détecter des anomalies, comme des tumeurs, des kystes ou des malformations. Les capacités d’analyse de cette technique d’imagerie reposant sur la diffusion d’ultrasons restent toutefois largement sous-exploitées. S’efforçant d’améliorer les performances de l’échographie, les travaux de scientifiques lyonnais laissent entrevoir de nouveaux usages prometteurs dans le domaine biomédical.

 

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  • #3 : Les polymères, nouvelle voie pour la mise au point de nano-détecteurs – Publié le 20/01/26 

© Laurence MEDARD/CNRS Images

Pour détecter avec précision des particules élémentaires, des scientifiques développent des capteurs composés de millions de « nano-canaux », des tubes mille fois plus fins qu’un cheveu. En tapissant l’intérieur de ces minuscules tunnels de nouveaux matériaux à base de polymères, une équipe lyonnaise espère créer des dispositifs plus compacts et plus sensibles. Une piste innovante qui permettrait de transformer la détection à haute résolution en physique fondamentale.

 

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  • #4 : La photocatalyse promise à un avenir radieux – Publié le 20/01/26 

© Didier COT/CNRS Images

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.

 

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  • #5 : Sonder la matière à l’échelle atomique pour révéler ses propriétés – Publié le 20/01/26 
Visualisation stylisée d’une simulation atomique d'un alliage à haute entropie, c'est-à-dire composé de plusieurs éléments en proportions égales, ici du fer, du chrome, du nickel et du manganèse.

© Alex BOURGEOIS, Céline VARVENNE, Pierre-Antoine GESLIN | CNRS Images

Comprendre comment les constituants les plus élémentaires de la matière sont liés entre eux à pour tenter de percer leurs secrets. Tel est l’objectif que s’est fixé Matthieu Bugnet à partir d’outils dédiés à l’étude des matériaux. En combinant la microscopie électronique en transmission avec une méthode de spectroscopie avant-gardiste, le scientifique cherche à révéler la structure de matériaux à l’interface des atomes qui les constituent.

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  • #6 : De nouveaux matériaux hybrides aux atouts multiples – Publié le 28/01/26 
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

Fruit de l’association d’un métal et d’un ligand organique, 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.

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  • #7 : « Repenser la synthèse des polymères dans la perspective de les rendre plus faciles à recycler » Interview de Jannick Duchet-Rumeau – Publié le 20/01/26 

© Cyril FRESILLON/PEPSEA/CNRS Images

Professeure de chimie à l’INSA Lyon et directrice du laboratoire Ingénierie des matériaux polymères (IMP), Jannick Duchet-Rumeau s’efforce de concevoir des polymères plus respectueux de l’environnement en modifiant la structuration de ces matériaux à l’échelle nanométrique. La scientifique explore en outre de nouvelles pistes visant à contrôler leurs performances mécaniques ou à améliorer leur durabilité et leur dégradabilité, une fois ces matériaux devenus obsolètes.

 

LIRE L’INTERVIEW

 

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mmerci !

Ce dossier a été réalisé grâce à la collaboration de différents scientifiques de l’Université de Lyon. Nous les remercions pour le temps qu’ils nous ont accordé.

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ppour aller plus loin :

Nous vous proposons une sélection de ressources accessibles en ligne pour vous et vos élèves.

  • Espace ressources du site web de l’Année de l’ingénierie
    Sur cette page, vous trouverez diverses ressources destinées aux élèves et aux enseignants dans le cadre de l’Année de l’Ingénierie. Kits pédagogiques, vidéos, portfolios et autres supports seront mis à disposition pour enrichir l’apprentissage et l’enseignement des ingénieries.
  • Trouver un·e intervenant·e professionnel·le de la recherche
    Cette action permet de trouver un professionnel de la recherche, qu’il soit homme ou femme,  pour intervenir en classe. Ce professionnel présentera les métiers de la recherche ou des recherches actuelles, afin de susciter des vocations ou bien tout simplement de faire découvrir comment le savoir scientifique se construit. Pour les professeurs des collèges et des lycées, inviter un professionnel de la recherche dans sa classe permet de compléter le cours, en l’illustrant avec des exemples actuels et authentiques, et d’aider les élèves dans leur choix d’orientation.

Faciliter le suivi médical des patients grâce aux ultrasons | #2

FFaciliter le suivi médical des patients grâce aux ultrasons | #2

Ressource #2 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Adaptée à la visualisation de la plupart de nos organes, l’échographie est notamment employée pour détecter des anomalies, comme des tumeurs, des kystes ou des malformations. Les capacités d’analyse de cette technique d’imagerie reposant sur la diffusion d’ultrasons restent toutefois largement sous-exploitées. S’efforçant d’améliorer les performances de l’échographie, les travaux de scientifiques lyonnais laissent entrevoir de nouveaux usages prometteurs dans le domaine biomédical.

Réponse impulsionnelle spatiale, appelée "oscillations transverses"

Réponse impulsionnelle spatiale, appelée « oscillations transverses », permettant le marquage local des tissus, pour le mode d’imagerie échographique US-Tagging (marquage ultrasonore). C’est un nouveau mode d’imagerie échocardiographique permettant le suivi des structures anatomiques, afin de faciliter la détection précoce et le suivi des pathologies cardiaques, comme par exemple l’infarctus du myocarde. L’originalité de cette technique repose sur le marquage local des tissus grâce à une formation d’images échographiques spécifique. © Hervé LIEBGOTT/CNRS Images

Au fil des années et des améliorations dont elles ont bénéficiées, certaines techniques d’imagerie médicale sont devenues des outils de diagnostic incontournables pour un large éventail de pathologies. Dans ce domaine, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et le scanner figurent parmi les appareils les plus performants. Le coût élevé de ces équipements limitant toutefois leur déploiement à grande échelle, leur usage se limite bien souvent au diagnostic préliminaire des cancers, des maladies vasculaires et des pathologies cérébrales. Afin de pallier ce manque de disponibilité, des scientifiques cherchent donc à améliorer l’efficacité d’autres techniques d’imagerie plus faciles d’accès comme l’échographie1. Depuis quelques années, c’est la piste qu’explore Pauline Muleki-Seya au Centre de recherche en acquisition et traitement de l’image pour la santé (Creatis)2. Ses travaux les plus récents se focalisent sur l’évaluation des plaques d’athéromes qui se déposent sur la paroi interne des artères carotides. Constituées principalement de lipides, ces plaques qui tendent à s’épaissir au cours du temps peuvent être à l’origine de graves complications telles que l’accident vasculaire cérébral (AVC).

Mise en place de l'échographe de recherche à l'hôpital de la Croix Rousse pour réaliser des acquisitions ultrasonores sur les patients.

Mise en place de l’échographe de recherche à l’hôpital de la Croix Rousse pour réaliser des acquisitions ultrasonores sur les patients. © Pauline Muleki Seya

Répondre à un enjeu de santé publique

Parmi les 140 000 nouveaux cas d’AVC répertoriés chaque année en France, 28 000 résulteraient de la rupture de plaques carotidiennes. Le suivi de l’évolution des plaques d’athérome chez les personnes les plus à risque constitue ainsi un enjeu de santé publique majeur. « Nos investigations dans ce domaine visent à utiliser des acquisitions ultrasonores obtenues à l’aide de sondes échographiques pour quantifier deux composantes des plaques associées à un risque de rupture, à savoir la présence de microvaisseaux et les hémorragies se produisant à l’intérieur de la plaque », explique Pauline Muleki-Seya. Afin de caractériser ces deux indicateurs, la physicienne CNRS spécialiste des ultrasons et son équipe ont eu recours à une sonde matricielle. Tout comme l’IRM, et à la différence d’une sonde linéaire classiquement utilisée lors d’un examen échographique, la sonde matricielle permet d’acquérir des images en trois dimensions de la zone ciblée. Grâce à la mesure en volume du coefficient de rétrodiffusion3 renseignant sur la manière dont le tissu diffuse les ultrasons, les scientifiques entendent caractériser la microstructure tissulaire des plaques d’athérome. Obtenir une mesure précise et en trois dimensions du coefficient de rétrodiffusion est primordial car cette donnée renseigne sur l’existence de facteurs de fragilisation de la plaque comme la présence d’hémorragie à l’intérieur de la plaque ou le développement de nouveaux vaisseaux sanguins. « À l’appui de fantômes4 imitant les propriétés des tissus humains, dont on se sert pour évaluer les performances des techniques d’imagerie médicale, nous avons pu démontrer que l’emploi d’une sonde matricielle permettait d’améliorer de manière significative le niveau de résolution des mesures du coefficient de rétrodiffusion volumique », précise la scientifique.

Améliorer la prise en charge de l’athérosclérose

Pour obtenir des informations sur la microstructure vasculaire, l’équipe a eu recours à une autre méthode : l’imagerie par localisation ultrasonore. Inspirée de l’imagerie optique, cette autre technique nécessite l’injection préalable dans la circulation sanguine de microbulles d’air faisant office d’agent de contraste ultrasonores. « L’accumulation des trajectoires des microbulles détectées par la sonde matricielle permet d’établir une cartographie très fine de la microvascularisation tout en déterminant la vitesse de flux sanguin dans les différents vaisseaux », souligne Pauline Muleki-Seya. Dans le prolongement de ces travaux, la scientifique vient d’initier une première étude clinique chez l’Homme. Son objectif : tester la capacité de chacune des deux méthodes d’analyse éprouvées en laboratoire – mesure volumique du coefficient de rétrodiffusion et imagerie par localisation ultrasonore – à caractériser le niveau de sténose5 et la composition des plaques – présence d’hémorragie et de néovaisseaux6 entre autres – chez une quinzaine de personnes souffrant d’athérosclérose. Les conclusions de cette première étude clinique devraient contribuer à une meilleure prise en charge de cette maladie. « Pour les patients dont l’imagerie ultrasonore et la mesure du coefficient de rétrodiffusion révéleraient un degré de sténose limité associé à une grande instabilité dans la structure interne des plaques, un traitement chirurgical de l’artère par angioplastie7 devrait immédiatement être proposée, extrapole la scientifique. À l’inverse, si la structure des plaques reste stable malgré une sténose élevée, l’intervention pourrait être écartée au profit d’un suivi médical rigoureux du patient. »

Imagerie ultrasonore : une nouvelle lecture de la microstructure des tissus © Emilie Josse

Imagerie ultrasonore : une nouvelle lecture de la microstructure des tissus © Emilie Josse

L’imagerie ultrasonore comme alternative à la biopsie

L’utilisation d’ultrasons dans le domaine biomédical pourrait également se révéler pertinente pour le suivi de l’efficacité du traitement par chimiothérapie de certains cancers. À l’heure actuelle, le seul examen permettant de mener cette évaluation sur les tumeurs reste la biopsie. Au-delà de son aspect invasif, ce prélèvement d’un échantillon tumoral ne peut être réalisé qu’une fois le protocole thérapeutique achevé, ce qui implique souvent un délai de plusieurs semaines. Bien qu’une autre forme de thérapie soit immédiatement proposée au patient en cas d’échec du traitement par chimiothérapie, ses chances de rémission s’en trouvent inévitablement réduite. Dans la perspective d’obtenir une évaluation précoce et non-invasive de l’efficacité de la chimiothérapie, Pauline Muleki-Seya étudie la possibilité d’employer l’imagerie ultrasonore. Ces travaux réalisés en collaboration avec Aurélie Dutour, biologiste au Centre anticancéreux Léon Bérard et rattachée au Centre de recherche en cancérologie de Lyon (CRCL)8, portent sur l’ostéosarcome, une tumeur maligne osseuse qui touche principalement les adolescents et les jeunes adultes. « Nos recherches en la matière visent à évaluer la possibilité d’identifier les biomarqueurs de la structure tissulaire des tumeurs à partir de la propagation des ondes ultrasonores », complète la physicienne. Testée sur des ostéosarcomes issus de rongeurs exprimant cette pathologie, cette approche a permis d’observer des modifications de la structure microtissulaire de ces tumeurs en dépit de leur faible niveau de réponse à la chimiothérapie. Les variations du coefficient de rétrodiffusion du tissu tumoral révélées par spectroscopie ultrasonore attestent par ailleurs de l’intérêt de cette technique d’analyse non-invasive pour le suivi d’autres tumeurs solides traitées par chimiothérapie. Face à ces premiers résultats encourageants, l’équipe envisage désormais de recourir à la spectroscopie ultrasonore pour évaluer l’efficacité d’autres formes de traitements de l’ostéosarcome comme la thérapie anti-angiogénique qui cible les vaisseaux sanguins des tumeurs cancéreuses.

En s’efforçant d’améliorer les performances d’une technique d’imagerie relativement répandue et simple d’utilisation, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis de l’ingénierie de la santé qui est celui du renforcement de la prise en charge des maladies.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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1 L’échographie repose sur l’utilisation des propriétés des ultrasons émis par la sonde de l’échographe. Ceux-ci se réfléchissent sur l’organe cible et produisent un écho, dont le retour permet d’obtenir des images de la zone examinée.

2 Unité CNRS/Inserm/Insa Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1

3 Phénomène par lequel des particules, des rayonnements ou des ondes sont déviés à un angle supérieur à 90° par rapport à leur direction initiale suite à leur interaction avec la matière.

4 Constitués de gel d’agarose, les fantômes sont de petits cubes ou cylindres de texture gélatineuse utilisés en physiologie pour simuler les tissus mous.

5  Rétrécissement anormal du calibre d’une artère ou d’une veine compromettant la circulation sanguine. 

6  Dérivation vasculaire qui se forme spontanément en cas d’occlusion d’une artère.

7 Technique médico-chirurgicale visant à élargir une artère, rétrécie ou obstruée par un dépôt de plaque.

8 Unité CNRS/Inserm/Centre Léon Bérard/Université Claude Bernard Lyon 1

 

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-CARPUS-AAPG2020. 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 2020 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 20).

De nouveaux matériaux hybrides aux atouts multiples | #6

DDe nouveaux matériaux hybrides aux atouts multiples | #6

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.

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

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 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.

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).