Fabrication de nanocomposites et dispositifs à transition de spin pour des applications électromécaniques

Fabrication of spin crossover nanocomposites and devices for electromechanical applications

• Auteur / Autrice : Mario Piedrahita-Bello
• Direction : Lionel Salmon, Bertrand Tondu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organométallique et de coordination
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actionneurs

Matériaux hybrides

Transition de spin

Mots clés libres

Transition de spin

Nanocomposites

Actuateurs

Polymères

Piézoélectricité

Spin crossover

Nanocomposites

Actuators

Polymers

Piezoelectricity

Résumé

Afin d'exploiter le potentiel synergique du changement de volume qui se produit au sein de matériaux à transition de spin (TS), des matériaux polymères composites à TS ont été fabriqués en développant une ingénierie moléculaire et en s'appuyant sur les nanosciences. Ces matériaux ont été conçus avec deux applications en tête : la récupération d'énergie thermique et les muscles artificiels. Concernant les applications de récupération d'énergie thermique, une série de matériaux composites SCO@P(VDF-TrFE) a été élaborée. Le changement de volume associé au phénomène de transition de spin active la matrice de copolymère piézoélectrique P(VDF-TrFE) lors d'un stimulus thermiquement. Cela conduit à une décharge de courant aux températures de transition de spin, montrant un effet synergique entre la matrice polymère piézoélectrique et le matériau à TS. Ces matériaux peuvent ainsi être utilisés pour récupérer une énergie électrique à partir de faibles variations thermiques autour de la température de transition de spin. Concernant la fabrication de matériaux pour le développement de muscles artificiels, une approche bicouche a été utilisée pour amplifier l'effet du changement de volume associé au phénomène de TS. Deux stratégies différentes ont été utilisées pour obtenir ces matériaux bicouches : l'impression 3D et le dépôt par évaporation de solvant. Les techniques d'impression 3D ont permis la fabrication reproductible de composites avec un contrôle très élevé de leur morphologie, nous permettant d'obtenir des géométries jamais vues auparavant pour ce type de matériaux. Ainsi, des actionneurs bicouches activés thermiquement ont été fabriqués avec succès et leurs propriétés mécaniques se sont avérées compétitives par rapport aux autres matériaux du domaine des actionneurs artificiels souples. Les techniques d'évaporation du solvant nous ont permis d'obtenir des actionneurs bicouches à transition de spin conducteurs. Ces actionneurs ont été optimisés grâce à la conception de matériaux intelligents par l'inclusion et l'organisation de nanoobjets à transition de spin anisotropes. Ces dispositifs, activés électriquement par effet Joule, sont hautement contrôlables et leur fonctionnement en boucle fermée a montré qu'ils sont très robustes, précis et performant. Un dispositif de préhension a ainsi été fabriqué, montrant la possibilité d'application de ces matériaux dans le domaine de la robotique. Finalement, nous avons réussi à fabriquer des matériaux composites qui exploitent le changement de volume des complexes à transition de spin et qui pourraient être utilisés au sein de dispositifs électromécaniques.

In order to synergistically exploit the volume change of spin crossover (SCO) materials, polymeric SCO composite materials were fabricated thanks to molecular engineering and nanosciences. These materials were conceived with two applications in mind: thermal energy harvesting and artificial muscles. Regarding thermal energy harvesting applications, a series of SCO@P(VDF-TrFE) composites were elaborated. The volume change of the spin crossover phenomenon activates the piezoelectric P(VDF-TrFE) copolymer matrix when thermally stimulated. This leads to a current discharge at the spin transition temperatures, showing a synergistic effect between the piezoelectric polymer matrix and the SCO filler material. These materials can thus be used to recover electrical energy from small thermal excursions around the spin transition temperature. Regarding the fabrication of materials for the development of artificial muscles, a bilayer approach was used to amplify the effect of the volume change associated with the SCO phenomenon. Two different strategies were used to obtain these bilayer materials: 3D printing and solvent casting. 3D printing techniques allowed for the reproducible fabrication of SCO printed composites with very high control over their morphology, allowing us to obtain geometries never before seen for this kind of materials. Thermally activated bilayer actuators were successfully fabricated and their mechanical properties proved competitive with other materials in the field. Solvent casting techniques allowed us to obtain electrically conductive SCO bilayer actuators. These actuators were optimized via smart material design by the inclusion of aligned anisotropic spin crossover nanoobjects. These devices, electrically activated via Joule effect, are highly controllable, and closed-loop operation showed that they are highly resilient, robust, precise and efficient. A gripper demonstrator device was thus fabricated, showing the applicability of these materials in robotic devices. Finally, we successfully fabricated composite materials which exploit the volume change of the SCO phenomenon and which have applicability in electromechanical devices.