Électrogénération de films mésoporeux orientés et fonctionnalisés

Depuis leur découverte au début des années 1990, les matériaux mésoporeux à structure régulière n’ont cessé d’aiguiser la curiosité de la communauté scientifique, tant pour leur intérêt applicatif dans de nombreux domaines allant de l’électronique à la biologie et la médecine en passant par l’environnement, que pour des questions plus fondamentales liées à la réactivité en milieu confiné ou pour les défis associés à leur préparation dans des conditions bien contrôlées. Dans ce contexte, les silices mésoporeuses organisées sont particulièrement attrayantes, car elles peuvent être synthétisées sous forme d’hybrides organo-minéraux, donnant lieu à des matériaux fonctionnels potentiellement utilisables pour de nombreuses applications. Si ces solides existent sous différentes formes (poudres, monolithes…), une configuration de type « film mince » est souvent requise lorsque leur utilisation est envisagée dans des dispositifs tels que des capteurs ou des réacteurs.

Classiquement, l’élaboration de films de silice mésoporeuse organisée repose sur le procédé sol-gel, mis en œuvre en présence d’agents directeurs de structure de type tensioactif ou copolymères à blocs, dans des conditions d’auto-assemblage induit par évaporation (EISA, evaporation-induced self-assembly). La méthode EISA permet d’obtenir des matériaux présentant non seulement une aire spécifique très élevée (pouvant aller jusqu’à 1 000 m²/g, voire au-delà), mais également une porosité organisée (en structure hexagonale, cubique ou lamellaire), et contrôlable à l’échelle mésoporeuse (avec un diamètre de pore typiquement compris entre 2 et 10 nm, et même jusqu’à 20 nm dans certains cas), avec une porosité très importante pouvant atteindre 50 %. Les silices mésoporeuses sont également fonctionnalisables par des groupements organiques, que ce soit par greffage post-synthèse ou, en une étape, par co-condensation avec des réactifs de type organosilane. Les hybrides organo-minéraux résultants présentent un grand nombre de groupements fonctionnels distribués au sein d’une mésostructure organisée, et dès lors accessibles pour diverses applications.

Un défi majeur dans le domaine des films mésoporeux est le contrôle de l’orientation de la mésostructure, et notamment l’accès à des canaux orientés perpendiculairement au support, une configuration optimale pour bon nombre d’applications, car elle permet un accès unidirectionnel aisé de réactifs extérieurs vers la surface active (par exemple une électrode). À ce jour, cette orientation verticale des canaux mésoporeux reste très difficile à induire par la méthode EISA. C’est pourquoi une autre approche, électrochimique, a été récemment proposée : l’auto-assemblage induit par électrochimie (EASA, electrochemically-assisted self-assembly). La méthode EASA combine l’auto-assemblage de tensioactifs sous contrôle de potentiel avec le dépôt sol-gel électrochimiquement induit. Elle offre l’avantage de permettre la formation de films uniformes sur des supports non plans, ce qui est très délicat par EISA. Elle présente cependant le désavantage de n’être applicable qu’à des supports conducteurs électroniques. Des stratégies visant à préparer ces films orientés sous forme fonctionnalisée commencent à apparaître, afin de pouvoir les exploiter dans le domaine des capteurs ou du stockage électrochimique de l’énergie. On note également des essais visant à utiliser ces membranes nanoporeuses en tant que moules pour la génération d’objets de taille nanométrique parfaitement calibrés, avec des applications potentielles en microélectronique. Cet article présente la méthode EASA de préparation de films mésoporeux hautement organisés et orientés verticalement, ainsi que les stratégies développées à ce jour pour les fonctionnaliser par divers groupements organiques.