L’effet Seebeck peut être utilisé pour convertir des différences de température en électricité. Les matériaux présents sur le marché et capable d’utiliser cet effet sont cependant trop rigides pour les multiples applications envisagées. 

Grapiller de l’énergie à partir de gradients de température pourrait aider à la transition écologique. Olivier Galangau, chargé de recherche CNRS à l’Institut des sciences chimiques de Rennes1, développe des matériaux en feuillets aux différentes propriétés. « Je travaille à la confluence de la chimie supramoléculaire, où de petites molécules s’assemblent pour générer des structures plus grosses et relativement stables, et de la chimie organique, explique le chercheur. Les assemblages moléculaires ainsi obtenus peuvent avoir des propriétés semi-conductrices ou être photoactifs. Les molécules forment ces architectures lorsqu’elles sont dissoutes dans un solvant, mais également lorsque ce dernier disparaît. Elles deviennent alors des cristaux liquides. »

Olivier Galangau s’intéresse également à un autre phénomène présent chez certains assemblages supramoléculaires : la thermoélectricité. Ce processus, connu depuis deux cents ans, correspond à la conversion d’une différence de température en un courant électrique grâce à l’effet Seebeck. Cela permet notamment de recharger de petites batteries, mais pourrait à terme alimenter des dispositifs plus importants de façon renouvelable.

Une question de souplesse

« La communauté s’est aperçue que les matériaux organiques semi-conducteurs peuvent être intéressants pour la thermoélectricité, souligne Olivier Galangau. Mais il faut des matériaux qui conduisent très bien l’électricité et très mal la chaleur. Ils doivent aussi être flexibles pour s’adapter à un maximum d’applications, comme des vêtements connectés. Les matériaux thermoélectriques que l’on retrouve dans le commerce sont inorganiques et rigides. »

Olivier Galangau a donc voulu combiner des matériaux organiques mous à des méthodes supramoléculaires. L’idée consiste à diminuer encore plus le transfert de chaleur dans le matériau grâce à des liaisons chimiques qui ne sont pas covalentes, mais bien supramoléculaires. La différence tient dans le fait que ce ne sont alors plus des électrons, qui transportent bien l’énergie thermique, qui assurent l’assemblage de l’architecture moléculaire.

« Des travaux précédents avaient prédit par des calculs que ces interactions-là sont nécessaires pour réduire la conductivité thermique tout en préservant la conductivité électrique, poursuit le chercheur. Il faudrait pour cela avoir une molécule conductrice qui y parvienne sans utiliser de solvant. Nos travaux ont cependant abouti à la conclusion inverse et nous avons obtenu de meilleurs résultats avec des matériaux en gel, et donc avec beaucoup de solvants. Privés de solvants au point de se retrouver en poudre, ces matériaux ne conduisaient plus le courant. »

Un projet en trois étapes

Ces travaux ont été divisés en trois tâches. D’abord, établir une méthodologie d’autoassemblage de complexes chimiques, ici du bis-acétylures de (1,2-Bis(diphénylphosphino)éthane) RuII, en un objet 1D, c’est-à-dire en feuillets. Ces complexes, obtenus sous forme de gels, ont été utilisés comme modèles pour le contrôle des propriétés d’empilements supramoléculaires.

Ensuite, les chercheurs ont mis en place des complexes bimétalliques bis-acétylures de (1,2-dppe) RuII. Comme dans la première tâche, les propriétés supramoléculaires de ces architectures ont été rationalisées en termes de morphologie et d’empilement moléculaire. Les complexes bimétalliques présentent notamment des potentiels d’oxydation plus bas, ce qui mène à des conductivités électriques plus importantes encore.

Enfin, la dernière étape a eu pour objectif d’étendre le concept des deux premières tâches à des systèmes organométalliques iso-structuraux et des complexes mono- et bimétalliques centrés sur le fer ou l’osmium. La comparaison de matériaux supramoléculaires dont les objets 1D sont identiques, mais de nature chimique différente du fait de la variation du métal, doit renseigner quant à l’influence du métal en question sur les propriétés thermoélectriques.

Une collaboration avec le Québec

Olivier Galangau et son équipe ont ainsi découvert de nouvelles manières d’autoassembler ces architectures supramoléculaires. Ils ont aussi mis en avant que certaines interactions non covalentes avaient un effet sous-estimé et pouvaient être contrôlées pour donner naissance à des architectures bien définies. Les chercheurs ont pu jouer sur les structures de molécules en fonctionnalisant différemment les molécules en question, et ainsi obtenu un nouveau type d’assemblage dû à l’interaction lumière-matière.

À l’ISCR, Olivier Galangau a notamment été épaulé par le professeur Stéphane Rigaut et le doctorant William Gallonde. Ils ont reçu l’aide à l’international d’Emanuele Orgiu, professeur à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS, Québec). Ce physicien spécialiste des dispositifs électriques et thermoélectriques a mis à disposition son matériel pour mesurer ces paramètres.

« Ces travaux vont se poursuivre dans un autre cadre, avec l’École universitaire de recherche (EUR) en chimie LUMOMAT, conclut Olivier Galangau. C’est un consortium entre les laboratoires de Rennes, d’Angers et de Nantes, qui a permis le financement d’une nouvelle thèse dans la continuité de nos recherches. »

Ces recherches ont été financées en tout ou partie par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet « Complexes Métaux-acétylures auto-organisés pour le thermoélectrique organique – SAMAT ».  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-JCJC et PRC AAPG 2021).

Image au microscope à balayage électronique qui révèle les feuillets supramoléculaires que nous croyons responsables de la conduction électrique dans les gels. © Olivier Galangau.