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Entre déconstruction et reconstruction, l'espoir des nanomatériaux. Entretien avec Bao-Lian Su

Bao-Lian Su, professeur de chimie aux Facultés Universitaires Notre-Dame de la Paix et Directeur du Centre de Recherche pour la Chimie des Nanomatériaux, est devenu membre de l'Académie royale de Belgique, Classe des Sciences, en mars 2011.

S'il est aujourd'hui une avancée scientifique fascinante et encore mystérieuse pour le grand public, c'est bien celle des nanosciences, ces sciences qui étudient une réalité de taille nanométrique, soit un milliardième de mètre (ou un millionième de millimètre). On sait déjà, à l'échelle microscopique (donc bien plus grande) utiliser des bactéries pour fabriquer de l'insuline humaine, ou pour dégrader voire fabriquer du pétrole, mais l'imagination s'emballe devant les possibilités apparemment infinies des nanosciences. On pense à la construction de nouveaux matériaux inspirés de ce que la vie produit à cette même échelle nanoscopique et dont Bao-Lian Su donne quelques exemples : une nanostructure autonettoyante à l'imitation de la feuille de lotus, le nano-switch optique pour l'informatique inspiré de la bactérie violette, la nano-batterie solaire imitant le chloroplaste des cellules végétales, le nano-séparateur inspiré par les membranes cellulaires, des nanomatériaux hautement structurés en forme de nids d'abeilles, le nano-computer à base d'ADN... Les nanosciences plongent le chercheur dans une dimension qui efface les barrières classiques entre techniques et sciences, entre chimie, physique, biologie, médecine. Ainsi, le 15 février 2012, Jean-Pierre Leburton, lui aussi membre de l'Académie, tiendra une conférence au Palais des Académies sur le thème « La nanotechnologie à la rencontre de la biologie. Peut-on décoder l'ADN électroniquement ? ».


Les recherches de M. Bao-Lian Su portent essentiellement sur les propriétés, les fondements et l'ingénierie moléculaire des nanomatériaux inspirés de la biologie, ainsi que sur les nanostructures pour la nanotechnologie, la biotechnologie, la technologie de l'information et les applications biomédicales. En particulier, il travaille sur la synthèse, la détermination de la structure et la simulation théorique de nouveaux micro-, méso- et macro-systèmes poreux et de tamis moléculaires.

Nous l'avons rencontré dans son bureau namurois.



Monsieur Su, votre parcours scientifique vous a mené ici, chez nous, aux Facultés universitaires de Namur et à l’Académie royale de Belgique. C'est aussi un long voyage qui a débuté en Chine. Qu’est-ce qui, dans votre prime jeunesse, a pu orienter votre vie vers les sciences ?

Vers l’âge de dix ans, j’étais fasciné par la photosynthèse et la fixation de l’azote. Je lisais beaucoup et dévorais en particulier un livre de vulgarisation chinois intitulé « 10.000 pourquoi ». Je rêvais à l’époque de devenir ingénieur chimiste. Mais nous étions aux temps de la Révolution Culturelle , où toute connaissance scientifique était fort mal considérée. Je me suis alors tourné vers la… danse, qui m’a entièrement occupé jusqu’à mes seize ans. Le retour au pouvoir de Deng Xiaoping en 1977 s’est accompagné d’une réforme du système universitaire et d’un nouveau respect pour les intellectuels et les scientifiques, la science retrouvant sa place comme élément essentiel de la société. On a, en ces années 1977-78, rétabli les concours d’entrée dans les universités. J’ai fait partie des premiers étudiants admis sur concours et l’un des plus jeunes à l’époque, les autres ayant déjà une expérience dans l’industrie ou à la campagne (suite à la politique de Mao). Après deux ans de reprise de mes études et de préparation à ce concours, je fus donc admis en 1979. J’avais évidemment dû abandonner la danse.

Mon point fort était les mathématiques. En chimie j’étais plutôt moyen. Mes choix me portaient vers les maths et l’électronique mais… c’est en définitive le département de chimie d’une université qui m’a sélectionné. Une très bonne université, même si elle n’était pas considérée comme l’une du top. Je le répète, je lis énormément. Or j’avais un jour lu l’histoire d’un grand scientifique russe qui avait accompli ce même parcours, des mathématiques vers la chimie. Et puis, je réalisais mon rêve d’enfance, en me consacrant ainsi à la chimie et plus spécialement à l'étude de la photosynthèse et la catalyse organique, la fixation de l’azote. Je passai le concours national pour l’accès au Master et, malgré une sélection très sévère et très peu de places offertes, je fis partie des six lauréats de mon année de promotion (une centaine d’étudiants). J’ai fait ce Master (trois années à l’époque en Chine) à l’Institut de Chimie Organique de l’Académie des Sciences de Chine, avec un sujet final consacré à la production d’hydrogène.

Comme je souhaitais faire un doctorat en Europe ou aux États-Unis, je devins ingénieur chimiste à l’Institut de Pétrochimie de Pékin. J’étais fasciné par le Procédé de Haber, chimiste allemand, prix Nobel en 1918, célèbre pour son procédé permettant la synthèse de l'ammoniac à partir d'azote et d'oxygène. Je décidai de partir faire une thèse de doctorat à l’étranger. Dans cet Institut de Pétrochimie à Pékin, j’avais appris à faire des matériaux et avais déjà travaillé sur les matériaux poreux. Notre procédé de craquage du pétrole nous a d’ailleurs valu deux prix importants en Chine. Cette synthèse de l’ammoniac par le procédé de Fritz Haber me poussait naturellement vers l’Allemagne. Or, un de mes amis d’enfance, qui, lui, se consacrait à la physique nucléaire comptait bien se rendre en France où l’on était à la pointe dans son domaine de recherche. Il avait, pour cela, choisi d’étudier le français comme première langue étrangère, et moi l’allemand. Cet ami s’est retrouvé à… Heidelberg, et moi à… Paris. Je me retrouvai à l’Université Pierre et Marie Curie aux côtés d’une grande spécialiste des zéolithes. Après ma thèse, j’avais la possibilité d’y rester de façon permanente mais une rencontre sera décisive : celle de Éric G. Derouane, qui obtiendra le Prix Francqui en 1994. C'est lui qui, lors d’une de ses visites à Paris, me proposa de venir à Namur pour y effectuer un post-doctorat. Je lui en suis très reconnaissant, d'autant qu'il m'a énormément appris sur l’esprit scientifique.

À Namur, je travaillai dans le laboratoire de catalyse de l’Université de Namur, avant de partir, pour près de deux années, aux USA, dans une entreprise de recherche et consultance, « Catalytica », à Mountain View, en Californie. L’étude des « nano », encore peu développée en Europe, était déjà en plein essor aux États-Unis. En 1995, Éric Derouane étant parti pour la Grande Bretagne, son poste devenait vacant à Namur. Je posai ma candidature et, malgré 38 autres candidats, je fus retenu. Depuis, je suis professeur de chimie aux FUNDP à Namur.

À côté de vos tâches d’enseignement, vous dirigez aussi le Laboratoire de Chimie des Matériaux Inorganiques (le CMI). Et l'essentiel de vos recherches porte sur ces nanoparticules, nanostructures, nanomatériaux... des termes qui recouvrent des réalités différentes ?

Des nanoparticules existent dans la nature, d'autres peuvent être obtenues par certains procédés techniques, mais les nanomatériaux, certes produits sous formes de nanoparticules (métaux, céramiques, oxydes magnétiques, polymères, carbones etc.), sont issus de la nanotechnologie. On parle de nano-composites qui sont par exemple des matériaux dits nano-structurés (en surface ou en volume) ou nano-renforcés. Quant aux nanoparticules, elles sont le plus souvent agrégées, donc elles restent, hors des suspensions, difficiles à isoler.

Dans ce nouvel univers qui s’ouvre, vos travaux et recherches se sont donc concentrés sur la porosité des matériaux, sur les « tamis moléculaires ».

Les tamis moléculaires sont des solides poreux qui ont une capacité d'adsorption, donc de retenir certaines molécules à l'intérieur de leurs pores. L’adsorption, à ne pas confondre avec l’absorption, est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules de gaz ou de liquides (adsor-bats) se fixent sur une surface solide (adsorbant) selon divers processus plus ou moins intenses. Je cherche à augmenter les surfaces spécifiques. Moi je fais des nanomatériaux poreux. J’introduis des nanoparticules dans des nanomatériaux. Je travaille sur la reconnaissance moléculaire, c'est-à-dire le processus d'association sélective par complémentarité entre deux molécules complexes, dans les systèmes zéolithiques ; c’est le concept des enzymes solides (en milieu non liquide). L’avantage est double : d’une part, avec la reconnaissance moléculaire, on peut avoir une sélectivité moléculaire importante, d’autre part on peut appliquer également cette reconnaissance moléculaire dans les systèmes acido-basiques, ce qui a un impact industriel considérable.



Et puis vous faites une découverte qui vous ouvre un nouveau champ de recherche, celui des matériaux méso-poreux, en introduisant le nouveau concept de « matériaux hiérarchiquement méso-macro-poreux ».

On peut considérer les matériaux méso-poreux comme des tamis moléculaires méso-poreux, même si, au départ, ces tamis moléculaires concernaient des matériaux à microporosité (mesure de porosi-té inférieure à 2 nm) et à structure cristalline, alors que la structure méso-poreuse est souvent in-forme, inorganisée. Il s’agit ici de générer de nouveaux matériaux avec des porosités différentes en différentes échelles de longueur, intégrés dans un corps solide. Des matériaux hiérarchisés contenant à la fois des structures macroporeuses et méso-poreuses interconnectées possèdent des propriétés supérieures à celles des matériaux composés d’un seul type de pores, et cela est dû à l’augmentation de la masse transportée à travers le matériau et le maintien d’une surface spécifique au niveau des systèmes de pores fins.



Normalement, pour obtenir différentes porosités dans un corps solide, il faut développer différentes étapes préparatoires, des stratégies de synthèse différentes etc. Or, notre équipe a observé, en 2002, une découverte « par hasard », un phénomène nouveau et spontané de hiérarchisation poreuse. Sans intervention d’agents externes, grâce aux propriétés des alcoxyles, on peut désormais préparer des matériaux avec une bonne organisation poreuse dans différentes échelles de longueur. La méthode est assez simple et peut être étendue à d’autres situations. Ce phénomène a été salué par le monde de la recherche sur les matériaux poreux comme une découverte essentielle. Cette hiérarchisation spontanée des porosités dans les nanomatériaux méso-poreux hautement structurés a fait récemment l’objet de la publication d’un livre : Hierarchically structured porous matérials - From Nanoscience to Catalysis, Separation, Optics, Energy aun Life Science (Bao-Lian Su, Clément Sanchez et Xiao-Yu Yang – 2011 Wiley-VCH, Weinheim). Dans notre unité de recherche, nous avons travaillé à la compréhension des mécanismes de synthèse de ces nouvelles familles de matériaux poreux, les CMI-n. Une douzaine de nanomatériaux poreux hautement structurés ou hiérarchisés ont ainsi été créés, dont le plus connu : le CMI-1.

À côté de cette ingénierie moléculaire, vous vous passionnez aujourd'hui pour l'immobilisation de cellules végétales ou animales ou de bactéries dans ces matrices poreuses bio-compatibles.

Oui, je cherche à utiliser ces nouveaux matériaux poreux et nanoparticules comme matrices pour encapsuler des organo-végétaux, des oxydes, des nanoparticules métalliques et des molécules et organismes biologiques pour la conception de nouveaux catalyseurs, de nouveaux produits pharmaceutiques, des agents de conservation de l’énergie, et pour le développement de matériaux optiques, électroniques et thermo-sensitifs ainsi que de nano-bio-senseurs.

On rêve déjà devant toutes les applications, des plus futiles aux plus utiles que permettront ces nano-biotechnologies : des nanoparticules métalliques comme du nano-argent peuvent désinfecter ou désodoriser les chaussettes, du dioxyde de titane peut produire un ciment autonettoyant ou de la crème solaire, des nano-poudres de céramique (silicates ou oxyde de titane) peuvent durcir la surface de divers matériaux, il y a les matériaux biocompatibles pour les implants osseux, les polymères conducteurs, des nano-fibres de carbone pour la conductivité électrique, la résistance mécanique ou les implants biocompatibles pour des muscles artificiels, il y a encore les nano-feuilles de verre pour les disques optiques (multipliant par 4 la densité d’informations stockées), des nano-films d’ADN aux propriétés filtrantes utiles dans le domaine environnemental, des nano-cristaux pour la production de nouveaux microprocesseurs, des nano-composites aux propriétés de dureté et de résistance à l’usure etc. etc. Tout cela est enthousiasmant mais n'est-ce pas aussi source de nouveaux dangers ?

La société a toujours dû vivre avec les inventions et découvertes, elle a dû les intégrer. Voyez aujourd’hui l’importance qu’ont prise les microprocesseurs dans notre vie, les progrès en génétique, le nucléaire etc. Il en va et en ira de même avec la nanoscience. Mais on a tort de croire qu’on s’éloigne de la nature. Je veux montrer qu’au contraire on s’en rapproche. Il s’agit de l’imiter, de mieux nous adapter à elle. Devant l’effet de serre par exemple, les nanomatériaux vont nous permettre d’améliorer ce rapport à notre environnement : les nanomatériaux hiérarchisés vont réduire les procédés industriels, en économisant non seulement du temps mais aussi de l’énergie, de la matière. Et, par ailleurs, au-delà de cette amélioration, il y a la création de nouveaux concepts et procédés nés de ce bio-mimétisme auquel je tiens beaucoup. Par exemple, nous voyons en cette fin d’automne, avec la chute des feuilles, que la photosynthèse, via des végétaux, par exemple des arbres et des plantes, s’arrête. Or les feuilles des arbres ont elles aussi une structure hiérarchisée. Nous travaillons à faire des feuilles semi-artificielles, on essaie d’imiter la nature. On extrait les entités photosynthétiques et on les immobilise dans nos matériaux. Une fois les cellules intégrées dans un matériau, leur activité photosynthétique peut durer beaucoup plus longtemps, plusieurs mois. Nous avons donc, en quelque sorte, des nano-bio-matériaux qui font de la photosynthèse...



Ces matériaux méso-structurés en particulier ouvrent de très nombreuses possibilités dans des tas de domaines ?

Comme ils sont dotés de propriétés modifiables à l'envi, les matériaux méso-poreux ont en effet de nombreuses applications potentielles : ingénierie électronique, magnétique, photonique, optique, catalytique etc., mais aussi biologie et médecine.

En médecine, les matériaux méso-poreux ouvrent à la conception de nouveaux systèmes (portatifs et réutilisables) de distribution et de délivrance des médicaments, à plus petites doses et à plus long terme. Ils permettent aussi la fabrication de nano-bio-senseurs pour le dosage du fer dans le sang, pour un diagnostic très facile de l’anémie ou de l’hémochromatose.

En matière environnementale, ces nano-bio-senseurs permettent la détection d’ions de mercure dans les rivières.

Face aux problèmes du réchauffement climatique, de l’épuisement des matières premières, de la surconsommation d’énergie et de la raréfaction du pétrole, bref, face à ce qui défie la société moderne et la vie humaine, ces matériaux représentent une solution possible. Toutes ces applications des matériaux méso-poreux n'attendent qu'un investissement industriel.

Pour revenir à la médecine : quand mon fils avait 5 ans, un de ses petits camarades, diabétique, a fait en pleine classe une crise spectaculaire. Cela a fort marqué mon fils et moi aussi par ricochet. Je me suis penché sur ce diabète de type 1. On sait que dans le cas du diabète de type 1, le problème vient de l’auto-immunité : le corps tue les cellules ? qui secrètent l’insuline, ce qui empêche la digestion correcte du sucre. En « encapsulant » ces cellules, on les protège contre les substances immunitaires qui ne les détruisent plus tout en laissant les autres éléments, essentiels, passer par les pores dont on a contrôlé la taille. Nous testons actuellement ces nanomatériaux sur les souris.

Depuis quinze ans, je travaille sur ces matériaux poreux avec la fascination de voir que peu à peu nous en arrivons à obtenir de nouveaux matériaux dont on peut dire que certains sont « vivants ».

Monsieur Su, vous dites souvent : « Fais comme la nature, travaille comme la nature et produis comme la nature, c’est la seule manière de résoudre les problèmes de l’humanité : énergie, alimentation et environnement ». Ce bio-mimétisme est un concept multidisciplinaire auquel vous tenez beaucoup.

Tout être vivant, plante, animal, algue ou bactérie, doit être adapté à son environnement ou être capable de migrer pour survivre et se reproduire. L'exigence sélective a donné lieu à une profusion d'espèces différentes : plus de trente millions d'espèces aujourd'hui, dont nombre sont en voie d'extinction, d'autres sont relativement récentes. Celles qui survivent sont celles qui gardent avec leur environnement une adaptation suffisante. L'homme n'échappe pas à cette contrainte adaptative. Mais la société humaine moderne a créé un mode de vie qui met en danger cet équilibre de la nature. Un très haut taux de natalité, une consommation d'énergie très élevée amènent des problèmes environnementaux (effet de serre, épuisement des ressources naturelles) dont heureusement l'homme semble prendre conscience désormais. Et, cessant de voir en la nature un obstacle pénalisant, il se tourne vers elle pour analyser ce qui, dans cette nature, pourrait bien nous inspirer, voire nous donner des leçons dans notre double et paradoxale quête de progrès et d'homéostasie : la nature est complexe, efficace, performante, elle ne « gaspille » pas, elle utilise « au plus juste » l'énergie du soleil, elle recycle... Désormais, des ingénieurs, des industriels, des architectes, des « designers » même rejoignent les biologistes pour s'inspirer de la nature. Ce bio-mimétisme est une tendance récente et captivante. Ce concept est en effet né de la rencontre de plusieurs disciplines, il caractérise les techniques élaborées en imitant des procédés naturels. Nous avons, sans pour autant nous soumettre à elle, beaucoup à apprendre de la nature.


Michel Gergeay, janvier 2012

Source des illustrations : Groupe de Chimie des Nanomatériaux, FUNDP.

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