Surfaces et interfaces liquides
COSMO-RS : applications en formulation

La formulation recouvre l’ensemble des savoir-faire nécessaires au développement et à la fabrication d’un produit fini caractérisé par sa valeur d’usage et répondant à un cahier des charges préétabli [J 2 110].

De nombreux produits bien connus du grand public sont des formulations :

• médicaments ;

• produits agroalimentaires ;

• cosmétiques et parfums ;

• peintures, encres et adhésifs ;

• détergents et produits d’entretien ;

• produits phytosanitaires ;

• explosifs ;

• matières plastiques ;

• verres, bétons et céramiques.

Ainsi, les domaines couverts par la formulation sont très larges, et correspondent à des marchés tantôt à fort volume (avec, par exemple, une demande mondiale de 318 millions de tonnes de plastiques en 2021 ), tantôt à forte valeur ajoutée (le marché des produits pharmaceutiques pesait 1,25 milliard de milliards de dollars en 2021 ).

Afin d’augmenter leur valeur d’usage et de répondre au mieux au cahier des charges, la composition des formulations doit être finement optimisée par le formulateur. Toutefois, le grand nombre de matières premières disponibles et la diversité des mélanges qu’il est possible de réaliser en formulation rendent la tâche complexe. Afin de limiter le temps passé à optimiser la composition des formulations, le formulateur peut avoir recours aux plans d’expériences [P 230] ou à des techniques de modélisation.

Trois grandes catégories de modélisation peuvent être distinguées :

1. Les approches physiques basées sur les lois de la physique à l’échelle macroscopique ;

2. Les approches moléculaires fondées sur la modélisation directe du système à l’échelle microscopique ;

3. Les approches statistiques qui exploitent les connaissances antérieures accumulées pour des systèmes similaires à la cible.

La théorie COSMO-RS, qui relie la structure moléculaire des composés chimiques à leurs propriétés macroscopiques, relève à la fois des approches moléculaires et physiques. En outre, les formalismes mathématiques à la base de la théorie, et les descripteurs qu’elle peut générer, permettent aussi de l’employer comme une approche statistique. Ainsi, cette méthodologie peut trouver des applications dans une variété de problématiques rencontrées en formulation.

Toutefois, les formulations sont généralement des mélanges complexes de substances aux structures elles-mêmes complexes et/ou mal définies. Par conséquent, la question de la représentation des substances composant une formulation est centrale pour appliquer COSMO-RS en formulation. Cet article présente un vaste panorama de l’utilisation de COSMO-RS pour modéliser différents types de substances (solvants non conventionnels, principes actifs, polymères) et de milieux (interfaces et structures supramoléculaires, matrices complexes) omniprésents en formulation. Dans un premier temps, nous décrirons les différentes approches disponibles pour aborder ces systèmes complexes. Puis nous illustrerons ces méthodes en détaillant quelques applications particulièrement importantes sur le plan pratique.