Caractérisation des propriétés physico-chimiques des parois des fibres végétales à l'échelle nanométrique.

Nanoscale characterization of the physicochemical properties of plant cell walls.

• Auteur / Autrice : Raphaël Coste
• Direction : Michaël Molinari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques, biotechnologiques agro-alimentaires
• Date : Soutenance le 07/11/2019
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fractionnement des Agro-Ressources et Environnement (FARE) - INRA UMR A 614 (Reims, Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Molinari, Simon Hawkins, Dominique Derome, Arnaud Day, Brigitte Chabbert, Laurène Tetard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Hawkins, Dominique Derome

Mots clés

Mots clés contrôlés

Paroi cellulaire végétale

Lignocellulose

Propriétés physico-chimiques

Fibres végétales

Mots clés libres

Matière lignocellulosique

Nano-Thermique

Nanomécanique

AFM-Infrarouge

AFM PeakForce QNM

Paroi végétale

Plant cell wall

Nanomechanical

AFM PeakForce QNM

Lignocellulosic materials

AFM-Infrared

Nano-Thermal

Résumé

Les fibres végétales ont de tout temps été utilisées par l’Homme. Actuellement utilisées dans les secteurs de la papèterie et du textile, leur faible densité et leur module d’Young élevés en font aujourd’hui des candidats de choix pour l’élaboration de nouveaux matériaux composites très attractifs notamment dans le domaine du transport. Leur utilisation est néanmoins freinée par une méconnaissance de leurs propriétés mécaniques aux petites échelles et des facteurs pouvant les altérées. En effet, les fibres présentent à l’échelle micrométrique, une paroi constituée de couches concentriques de composition chimique et d’architecture macromoléculaire différente. A l’échelle nanométrique, la paroi peut être assimilée à un composite naturel constituée de microfibrilles de cellulose jouant le rôle de renforts dans une matrice d’hémicelluloses et de lignine. Au vu de la complexité structurelle des fibres, il est nécessaire de comprendre les relations entre leurs propriétés mécaniques et leur chimie locale par l’utilisation de techniques ayant une résolution spatiale suffisante pour accéder aux différentes strates pariétales. De plus, les propriétés mécaniques des fibres peuvent être impactées par des facteurs liés à l’hétérogénéité botanique, à la préparation des tissus végétaux mais également par des facteurs environnementaux tels que l’hygrométrie et la température. Dans cette optique, le premier objectif de la thèse a été de caractériser le gradient de propriétés physicochimiques des parois végétales à l’échelle nanométrique en cartographiant leurs propriétés nanomécaniques et leurs caractéristiques spectrales locales en infrarouge par l’intermédiaire de deux techniques basées sur la microscopie à force atomique (AFM). Le deuxième objectif était de comprendre les effets de l’humidité relative de l’air sur les propriétés nanomécaniques par AFM des fibres de bois et périphloémiennes de chanvre afin de mieux comprendre l’impact de l’eau à l’échelle des strates pariétales. Enfin, la dernière partie est un chapitre méthodologique sur les propriétés thermiques des fibres de peuplier à l’échelle sub-micrométrique par l’utilisation de la microscopie à force atomique équipé d’une pointe chauffante. Cette technique permet d’obtenir des informations sur les transitions de phase des matériaux. La paroi végétale étant complexe, une comparaison avec des films modèles et des poudres des différents polymères a été réalisée. Ceci afin de mieux comprendre le rôle de chacun des polymères du bois sur les propriétés nanothermiques des fibres.

Plant fibres have always been used by humans. Currently used in the paper and textile sectors, their low density and high Young's modulus make them ideal candidates for the development of new and highly attractive composite materials, particularly in the transport sector. However, their use is hampered by a lack of knowledge of their mechanical properties at small scales and the factors that can affect them. Indeed, plant fibres display at microscale, a wall composed of concentric layers of different chemical composition and macromolecular architecture. At the nanoscale, the wall can be described as a natural composite composed of cellulose microfibrils that act as reinforcements in a matrix of hemicelluloses and lignin. In view of the structural complexity of fibres, it is necessary to understand the relationships between their mechanical properties and their local chemistry by using techniques with sufficient spatial resolution to access the different parietal strata. In addition, the mechanical properties of fibres can be affected by factors related to botanical heterogeneity, plant tissue preparation but also by environmental factors such as humidity and temperature. In this perspective, the first objective of the thesis was to characterize the gradient of the physicochemical properties of plant walls at the nanoscale by mapping their nanomechanical properties and local infrared spectral characteristics using two techniques based on atomic force microscopy (AFM). The second objective was to understand the effects of the relative humidity of the air on the nanomechanical properties by AFM of hemp xylem and bast fibres in order to better understand the impact of water at the cell wall level in the parietal stratum. Finally, the last part is a methodological chapter on the thermal properties of poplar fibres at the sub-micrometer scale using atomic force microscopy with a heating tip. This technique provides information on the phase transitions of materials. As the plant wall is complex, a comparison with model films and powders of the different polymers was carried out. This is to better understand the role of each wood polymer on the nano-thermal properties of the fibres.