SOMMAIRE
– Couper le son avec des bougies
– Argile numérique. Composition : microrobots et capteurs optiques
– Matériaux intelligents créés et intégrés par impression 4D
– Les hydrogels, capteurs flexibles ou pluie solide
– Briques métalliques : vers des matériaux biologiquement actifs
– Pommes de terre contre micropolluants
– Les vitrimères, de nouveaux matériaux réparables et recyclables
Si la plupart des gens arrangent des bougies sur une table de Noël pour faire joli, à l’Institut FEMTO-ST on les dispose de manière à ce qu’elles arrêtent le son. L’expérience, aussi étonnante que concluante, a été menée par Vincent Laude, directeur de recherche CNRS à l’Institut FEMTO-ST, et David Röhlig, post-doctorant dans son équipe au département MN2S.
L’exécution en est très simple, mais correspond à une démarche théorique qui l’est nettement moins, derrière laquelle se cachent simulations numériques et calculs complexes.
Pour réaliser l’expérience, les chercheurs ont disposé côte à côte, et de manière à former un carré, une cinquantaine de bougies cylindriques ordinaires. En faisant passer des ondes sonores à l’intérieur du dispositif, ils ont constaté que certains signaux n’étaient pas restitués en sortie, qu’ils n’avaient pas non plus été absorbés, mais renvoyés : le dispositif fonctionne comme un miroir réfléchissant parfaitement les ondes acoustiques sur certaines fréquences, créant de larges bandes interdites.
« En physique, on sait depuis longtemps que certaines dispositions de matériaux, appelées cristaux phononiques, ou cristaux soniques, manipulent efficacement la propagation des ondes sonores. Les cristaux à bulles, des arrangements réguliers de bulles d’air dans l’eau qui bloquent complètement des gammes de fréquence exceptionnellement larges, sont particulièrement impressionnants. Mais ces structures restent de l’ordre de la théorie, tant leur mise en œuvre s’avère compliquée », explique Vincent Laude.
Les chercheurs ont contourné la difficulté en reproduisant ces arrangements avec d’autres matériaux : dans l’expérience qu’ils ont réalisée, les espaces formés entre les bougies collées les unes aux autres remplacent les bulles, créant la stabilité qu’il est si difficile d’obtenir avec de l’air.
Grâce à cette expérience, la mise en pratique de la théorie est enfin couronnée de succès, mais elle révèle une surprise de taille : ce ne sont pas tant les espaces et leur forme qui sont déterminants pour produire le phénomène, que les points de contact entre les cylindres. « C’est précisément à ces endroits que l’énergie sonore se concentre lorsque les ondes se propagent, témoigne le chercheur. Les calculs réalisés à partir de cette expérience ont montré que la structure agit comme un filtre acoustique simple, robuste et efficace. »
Le dispositif est susceptible d’être réalisé avec n’importe quel matériau, à toute échelle, et de fonctionner pour tout type d’ondes. Il laisse imaginer par exemple de pouvoir stopper des ondes sismiques dans la croûte terrestre en enfonçant des poteaux cylindriques en béton dans le sol, de protéger une installation des vagues, ou de réaliser des murs antibruit selon le même principe.
L’expérience a été relayée dans la prestigieuse revue internationale Physical Review Applied en mai 2025. Elle se poursuit au département MN2S, où les chercheurs travaillent à décliner le dispositif dans le domaine des ondes électromagnétiques.
Le développement de certaines activités industrielles nécessite des solutions non seulement performantes, mais aussi flexibles.
Une spécialité de la jeune société Phigi, créée en août 2025 après cinq ans d’incubation, et installée au pôle Numerica à Montbéliard (25).
Phigi conçoit et fabrique ce qu’elle nomme une « argile numérique », un matériau malléable au sens propre puisqu’il est capable de prendre n’importe quelle forme suggérée par un modèle numérique, dans le but d’établir des connexions entre des objets.
Ce matériau entre dans la catégorie « microsystèmes électro-actifs autonomes et de haute précision », selon une technologie révolutionnaire que la jeune spin-off issue de l’Institut FEMTO-ST est susceptible de décliner à de nombreuses applications.
Développée dans le cadre d’un partenariat industriel européen, la première concerne l’espace, et plus précisément les besoins de couplage entre les satellites, qui ne manquent pas de croître à mesure que le cosmos est investi : à la manière des autoroutes terrestres qui ont installé des relais en carburant afin de rendre possible la circulation longue distance, l’augmentation du trafic spatial nécessitera bientôt de telles connexions. Des opérations nécessitant flexibilité et précision, deux facultés apportées ici par des systèmes composés de dizaines de milliers de microrobots agglomérés entre eux.
Alimentés par de la lumière naturelle ou artificielle grâce au minuscule capteur dont chaque robot est équipé, ces systèmes sont autonomes en énergie. Ils sont pilotés par ordinateur, par l’intermédiaire d’un jumeau numérique qui permet de contrôler chacun de leur mouvement grâce à des algorithmes multi-agents, selon un savoir-faire issu de FEMTO-ST. Grâce à ce logiciel de commande, les microsystèmes reconnaissent leur environnement, se déplacent et se fixent là où on le souhaite.
« Leur action peut être comparée à celle d’une colonie de fourmis, qui change de forme pour s’adapter aux endroits où elle s’installe. L’argile numérique est capable de se poser sur n’importe quel objet et d’en épouser les formes, quelles que soient les protubérances présentes à sa surface », explique Rémy Tribhout, cofondateur de Phigi aux côtés de Julien Bourgeois, enseignant-chercheur en informatique à l’UMLP / Institut FEMTO-ST, expert en matière programmable, et de David Blaauw, de l’université du Michigan, réputé pour être l’inventeur du plus petit ordinateur du monde.
« À l’endroit où il s’accroche, l’essaim de microrobots crée des forces de jonction mécaniques et électrostatiques. Il pourra se substituer aux interfaces de couplage actuellement utilisées, et offrir une stabilité inédite entre deux satellites grâce à l’adaptabilité de sa matière. Un satellite de service pourra ainsi se mettre en relation avec un autre, par exemple pour l’alimenter en énergie. »
Les chercheurs travaillent à rendre ces microsystèmes autonomes également dans leur fonctionnement, une nécessité pour qu’ils puissent s’engager dans les orbites géostationnaires, trop éloignées pour autoriser un pilotage à distance.
Phigi s’intéresse aussi aux problématiques terrestres, par exemple en médecine avec la mise au point de pansements électroactifs générant des champs statiques pour accélérer la cicatrisation des plaies. « Ces pansements sont formés d’un substrat flexible dans lequel sont logés réseau d’électrodes en métal et microgénérateur solaire. » Le substrat et les électrodes sont fabriqués de façon monolithique en impression 3D, une fabrication compatible avec n’importe quel matériau et déclinable à toutes formes de structures.
Outre les domaines du spatial et de la santé, les applications de ces microsystèmes sont envisageables dans l’automobile, l’aéronautique…, partout où il est besoin d’intégration de « procédés sans couture ».
Tous les adeptes de science-fiction, petits et grands, ont un jour été éblouis par les capacités d’un robot à se transformer en voiture amphibie ou en avion de combat. Dans la vie quotidienne, plus modestement, un canapé peut se changer en lit double en réponse à une pression exercée sur son dossier. L’impression 4D semble relier les deux mondes, en donnant à la réalité des allures de science-fiction.
Elle met en œuvre des matériaux intelligents, c’est-à-dire sensibles à des stimuli énergétiques comme la lumière, la température, l’humidité ou un champ électrique, pour donner à une structure la capacité de se transformer par elle-même, sans action mécanique ni intervention humaine.
Cette technologie promet des façades de bâtiments reconfigurables en fonction de la température extérieure, des robots capables de se reprogrammer selon les pièces à saisir sur une chaîne de montage, ou des prothèses auto-ajustables suivant la croissance d’un enfant.
Les matériaux intelligents sont développés depuis plusieurs décennies, mais leur couplage avec les procédés de fabrication additive, qui ouvre à une quatrième dimension grâce à l’intégration de ces matériaux dans des objets imprimés, n’émerge que depuis une dizaine d’années.
L’impression 4D repose sur des modèles numériques construits à base de voxels, autrement dit des pixels 3D, qui servent à représenter un objet sous forme géométrique et à concevoir, simuler et prédire le comportement des matériaux intelligents à l’intérieur de cet objet. Les modèles pilotent ensuite la fabrication additive de ces matériaux et de l’objet, dans une seule et même opération.
Technologie récente, l’impression 4D a aujourd’hui besoin de se structurer, de réunir les différentes disciplines indispensables à son développement, de fournir des démonstrateurs au monde industriel. En France, le Groupement de recherche (GDR) TRANS4M, labellisé par le CNRS début 2025, est chargé de relever ce défi. Il est piloté par Frédéric Demoly, enseignant-chercheur en mécanique à l’UTBM et à l’Institut universitaire de France (IUF) / laboratoire ICB, l’un des pionniers et des spécialistes mondiaux de l’impression 4D.
« TRANS4M rassemble dès à présent quarante-trois laboratoires représentant différents domaines scientifiques, qui seront à terme rejoints par des industriels. C’est cette convergence des disciplines et des compétences qui permettra de faire monter l’impression 4D en maturité. »
Parallèlement, Frédéric Demoly est porteur du projet ciblé ARTEMIS, intégré au programme de recherche PEPR DIADEM (France 2030), consacré à la découverte et au développement accéléré, grâce à l’intelligence artificielle, de matériaux actifs et de structures transformables par impression 4D. « L’IA donne la possibilité d’explorer davantage le potentiel de l’impression 4D, grâce à la découverte de nouvelles structures géométriques et à la mise au point de nouvelles combinaisons ou compositions de matériaux. En agrégeant les connaissances disponibles et en exploitant les performances des réseaux de neurones et du symbolique, elle pourra produire des raisonnements qualitatifs qui permettront de justifier la recommandation de tel ou tel matériau. »
L’avènement de l’impression 4D implique de repenser totalement les méthodes, de modifier la façon de concevoir un procédé. Le développement de la technologie va également de pair avec une réflexion sur le recyclage des objets composites1 qu’elle génère. Dans l’équipe de Frédéric Demoly, les chercheurs recourent aux possibilités offertes par la géométrie pour remplacer les colles et réaliser des assemblages de matériaux de toute nature. « Chacun des éléments imprimés est associé aux autres d’une façon que l’on pourrait comparer à une construction avec des briques Lego, dans les trois directions de l’espace. Le désassemblage de la structure est possible, il permet de remplacer et de réutiliser un élément défaillant. »
L’impression 4D peut décliner ses possibilités dans une foule de domaines applicatifs, du biomédical à la défense en passant par le génie civil. En créant des systèmes reconfigurables adaptatifs autonomes, elle promet d’allonger la durée de vie de certains produits comme d’en délester d’autres de la masse et de l’encombrement de multiples actionneurs. Elle ouvre aussi et surtout une porte vers des produits et procédés encore inconnus.
Mis au point dès les années 1950, les hydrogels de synthèse ont donné lieu à des applications en médecine et en pharmacie avant d’investir d’autres domaines, de l’agriculture au spatial en passant par la robotique. Les hydrogels sont constitués d’une matrice polymère2 capable d’absorber puis de restituer de grandes quantités d’eau, représentant jusqu’à 90 % de leur volume total. Ces matériaux biocompatibles et non toxiques, réalisables en impression 3D, présentent des propriétés bien spécifiques de conductivité électrique, de résistance ou encore de flexibilité.
Enseignant-chercheur à l’UMLP / Institut UTINAM, équipe Matériaux et surfaces fonctionnels (MSF), le chimiste Florian Jurin élabore des formulations de manière à donner de nouvelles perspectives d’application à ces matériaux si particuliers.
Dans une recherche menée en collaboration avec Silvia Schintke à la HEIG-VD3, le chimiste a pour objectif d’ajuster les propriétés mécaniques des hydrogels pour augmenter leur conductivité électrique, en vue de réaliser des capteurs de contrainte flexibles.
« Dans le domaine médical, ces capteurs sensibles aux mouvements et non invasifs pourront être utilisés de façon inédite pour le diagnostic des pathologies articulaires ou musculaires, et également pour contrôler l’efficacité d’un traitement chez un médecin ou un kiné », explique le chercheur.
Les mesures électriques et les tests de contraintes mécaniques, permettant de suivre les performances de ces formulations, sont effectués au sein de l’Institut UTINAM.
Une autre application visée au laboratoire concerne les hydrogels utilisés en agriculture, qui favorisent la rétention d’eau dans les sols et la libèrent en fonction des besoins des plantes, et qui leur valent l’appellation de « pluie solide ». Florian Jurin étudie la possibilité de leur ajouter des solutions nutritives.
« Nous avons mis au point des hydrogels intégrant des nutriments, sous forme de billes, qui pourraient être semées dans les sols par les machines agricoles, en même temps que des graines. » Porosité, résistance mécanique, biodégradabilité…, de nombreux paramètres entrent en ligne de compte pour élaborer les formules chimiques les plus efficaces.
« Biocompatible et de préférence biosourcé, l’hydrogel doit aussi être biodégradable. Mais sa vitesse de dégradation doit être maîtrisée pour lui permettre d’hydrater et de nourrir la plante correctement et suffisamment longtemps. » Un jeu d’équilibre et de patience partagé avec Fabienne Tatin-Froux au laboratoire Chrono-environnement, où des tests sont effectués sur la croissance de jeunes plants de maïs nourris par les hydrogels faits maison.
D’autres chercheurs de l’équipe MSF travaillent à mettre au point de nouveaux complexes organométalliques (associations métal/ligand) et de nouveaux matériaux aux propriétés anticancéreuses ou antibactériennes. « La compréhension de la réactivité des complexes constitue le cœur de nos recherches », expliquent les chimistes Lydie Viau et Isabelle Jourdain.
Dans le domaine du cancer, les travaux visent à créer de nouveaux complexes combinant plusieurs éléments métalliques afin d’obtenir un effet de synergie pour stimuler leur efficacité.
Les recherches se focalisent sur le platine, le fer et le cobalt, qui sont des métaux prisés pour leur activité anticancéreuse. L’activité biologique des complexes dépend aussi de la structure des ligands et de leurs interactions avec les métaux.
Les ligands étudiés ici sont des hétérocycles azotés, qui entrent dans la composition moléculaire de nombreux médicaments.
« En collaboration avec des chercheurs de l’université du Havre spécialistes de ce domaine, nous leur apportons des modifications chimiques, par exemple avec un dérivé de la saccharine qui se révèle très intéressant ».
Les complexes fabriqués sont caractérisés au moyen de différentes techniques d’analyse avant d’être soumis au verdict des essais sur le vivant. « Les tests d’innocuité sont réalisés sur des cellules saines à l’Institut FEMTO-ST, et les tests d’efficacité sont menés sur des cellules cancéreuses par une équipe spécialisée à Toulouse », précise Isabelle Jourdain. Les premiers tests réalisés in vitro montrent que les complexes associant deux métaux identiques se révèlent plus efficaces que ceux associant deux métaux différents.
D’autres recherches sont menées en collaboration avec l’Institut FEMTO-ST sur des complexes métalliques dans l’objectif de les immobiliser et d’obtenir des surfaces antibactériennes biocompatibles. L’objectif serait par exemple de recouvrir une prothèse pour limiter les risques d’infections nosocomiales lors d’une opération chirurgicale. « Nos travaux portent sur l’argent, très connu pour ses propriétés antibactériennes, et sur d’autres métaux comme le ruthénium, le cuivre ou le rhodium », indique Lydie Viau.
Pour assurer l’adhérence des complexes réalisés, les chimistes s’inspirent de la nature en utilisant des dérivés de catéchols qui donnent aux moules marines, par exemple, la capacité de se fixer sur les rochers. « Il paraît possible, de la même manière, d’immobiliser le complexe antibactérien sur une surface, de créer la liaison chimique qui assurera la stabilité du dépôt », résume la chercheuse.
Si la nature est une source d’inspiration pour les chimistes, les PFAS4, elles, sont des molécules artificielles, créées par et pour l’industrie dans les années 1940, largement utilisées une décennie plus tard, et devenues tristement célèbres depuis quelques années. Grâce à leurs formidables propriétés antiadhésives et imperméabilisantes, et leur remarquable stabilité, les PFAS ont investi une foule de produits industriels et du quotidien, des textiles antitaches aux emballages alimentaires en passant par les cosmétiques et le matériel médical.
Mais on sait aujourd’hui la toxicité de ces molécules, qui sont non dégradables et bioaccumulables. Si on les trouve ainsi partout, dans l’air, les sols, les eaux, la chaîne alimentaire et dans nos organismes, les données sont encore lacunaires et les chercheurs se disent inquiets.
Dans cette grande famille de « polluants éternels », dont plus de dix mille substances sont connues sans que la liste soit exhaustive, le TFA, ou acide trifluoroacétique, est réputé pour être le plus simple et le plus mobile.
Depuis début décembre 2025 et la publication des résultats d’une étude menée par l’Anses5, il est aussi avéré que le TFA est présent dans 92 % des eaux du robinet en France. L’analyse de l’Anses portait sur six-cent-vingt échantillons d’eau prélevés sur l’ensemble du territoire. À l’UMLP / laboratoire Chrono-environnement, les chimistes Nadia et Grégorio Crini alertaient déjà ces dernières années sur la présence de PFAS dans les eaux du robinet et même dans les eaux en bouteille.
Non contents d’établir ce constat, ils ont mis à profit leur longue expérience du traitement des eaux usées au moyen de substances naturelles, pour trouver une solution. Ils ont ainsi identifié que la cyclodextrine, issue de la dégradation enzymatique de l’amidon de pomme de terre, est susceptible de piéger les TFA.
« Sur les PFAS à chaînes ultracourtes et courtes, présents à l’état d’ultratraces, les méthodes de traitement de l’eau actuellement proposées, comme les charbons actifs, sont très peu efficaces, explique Grégorio Crini. Les polymères de cyclodextrine permettent d’extraire sélectivement et efficacement les PFAS, TFA compris, via des interactions de type hôte-invité ».
Nadia Crini met en avant la structure particulière de la cyclodextrine, comparable à celle d’un abat-jour, dans laquelle la cavité hydrophobe attire et encapsule les molécules potentiellement toxiques, également hydrophobes, les séparant de fait des molécules d’eau. « Grâce à ses liaisons chimiques faibles, la cyclodextrine fonctionne parfaitement bien sur ces micropolluants à courtes chaînes alkylées, qu’elle peut capter, transporter et transférer dans une autre phase pour les libérer. »
Les travaux du couple Crini et de leurs doctorants s’orientent depuis de nombreuses années vers le traitement des rejets industriels, et donnent lieu à des projets d’envergure, le plus souvent menés en partenariat avec des entreprises régionales dans les domaines du traitement de surface, de la papeterie et de la blanchisserie, et avec des stations d’épuration urbaines. Officiellement lancé ce mois de janvier, CONFLANDEX est le dernier en date, et bénéficiera d’une collaboration croisée entre chercheurs du laboratoire Chrono-environnement, de l’Institut FEMTO-ST et de l’Institut UTINAM, et d’autres universitaires en France et à l’international.
Il s’attaquera à la problématique des PFAS dans les eaux et les boues industrielles, dont l’enfouissement ou l’épandage demandent à être remplacés d’urgence par des solutions moins impactantes pour l’environnement. La cyclodextrine et d’autres polymères naturels comme l’amidon ou le chitosane, dont les propriétés sélectives et les modes opératoires sont bien connus des chimistes de Chrono-environnement, figureront en première place dans ce projet.
Au rayon des plastiques, les vitrimères sont de tout nouveaux matériaux très prometteurs à la fois pour leurs propriétés et pour leur recyclabilité. Inventés au début des années 2010 par le physico-chimiste français Ludwik Leibler, ce sont des polymères organiques qui peuvent être fabriqués à partir de déchets plastiques.
Les vitrimères présentent les mêmes propriétés viscoélastiques que le verre, et se façonnent comme lui à chaud. La structure interne des vitrimères est composée de liaisons moléculaires susceptibles d’être défaites puis refaites sous l’action de la température ou par voie chimique, et dans lesquelles il est possible d’interchanger des molécules. Ces liaisons particulières sont le secret de leur caractère réversible, leur donnant la possibilité d’être facilement réparés et recyclés.
Légers, résistants, insolubles, malléables, réparables, recyclables, peu coûteux, les vitrimères semblent présenter toutes les qualités pour concevoir de nouveaux composites, répondant aux exigences environnementales d’aujourd’hui. À l’UMLP / Institut FEMTO-ST, Vincent Placet veut ajouter une corde à leur arc en les fabriquant à partir de matières biosourcées et en les combinant à des fibres végétales, pour former des composites aux fonctionnalités avancées et permettant de répondre à une logique de circularité.
Un article paru en avril 2024 dans Science fait état des résultats obtenus par le chercheur en mécanique et par ses collaborateurs des universités de Montpellier et de Graz en Autriche. « La production d’un démonstrateur a permis d’attester qu’il est possible de réaliser un vitrimère biosourcé compatible avec des fibres végétales, pour la fabrication d’une nouvelle génération de composites structuraux et durables. »
Publication scientifique et preuve de concept sont le point de départ du projet RE-Fibre, qui réunit cinq laboratoires de recherche européens et plusieurs industriels autour des travaux de onze doctorants, tous consacrés de ce sujet. Lancé en janvier 2025 pour quatre ans, piloté par l’université de Graz, le projet entre aujourd’hui dans une phase pleinement opérationnelle.
À l’Institut FEMTO-ST, une thèse en recherche fondamentale démarre en vue d’augmenter le pouvoir d’adhésion moléculaire des fibres et de la matrice dans le matériau, une autre est consacrée à l’étude de la recyclabilité et de l’utilisation à l’échelle industrielle des composites à fibres végétales et matrice vitrimère biosourcée.
« Les travaux s’orientent en premier lieu vers la lignine du bois, une substance difficile à valoriser car elle comporte plusieurs sous-familles, correspondant à différents types de molécules. » Recourir à la lignine pour mettre au point des vitrimères biosourcés est une option pour profiter de ses propriétés mécaniques cependant très intéressantes, tout en utilisant des déchets industriels de volume importants, comme ceux issus de la fabrication de la pâte à papier.
En affichant de telles ambitions, le projet RE-Fibre confirme aussi qu’il est possible de conjuguer mise au point de nouveaux matériaux et impératifs de durabilité.
