Avec la prise de conscience grandissante de l’impact des activités humaines et des habitudes de consommation sur le climat et l’avenir de la planète, émerge une demande de plus en plus forte pour des matériaux renouvelables issus de la nature. Depuis des années, ces matériaux dits « biosourcés » font l’objet de nombreuses recherches dans les laboratoires du Carnot M.I.N.E.S.

C’est notamment le cas au Centre de mise en forme des matériaux (CEMEF) de MINES ParisTech où des enseignants-chercheurs spécialistes des polymères travaillent depuis 15 ans sur ces matériaux. Parmi eux, Tatiana Budtova a développé avec une équipe un tout nouveau matériau qui a ouvert un nouveau champ de recherche à travers le monde : les « bio-aérogels ». C’est pour l’ensemble de ce travail qu’elle a été récompensée en 2020 de la médaille d’argent du CNRS.

Inventé dans les années 1930, l’aérogel est un gel – soit un réseau avec un liquide à l’intérieur – dont le liquide a été retiré pour obtenir un réseau solide poreux. Tombé dans l’oubli faute d’utilité, ce matériau est redécouvert dans les années 1970 et est fabriqué à partir de substances inorganiques comme la silice, puis des polymères synthétiques. Ces derniers, à base de pétrole, renferment des agents toxiques posant problème pour leur utilisation.

« C’est grâce à mon intérêt pour les polymères biosourcés et une discussion très fructueuse avec des collègues du Centre PERSEE de MINES ParisTech, qui sont experts en aérogels à base de silice, que nous avons initié un projet européen, piloté par une entreprise autrichienne, pour créer le 1^erbio-aérogel à base de cellulose en 2004. Ces bio-aérogels sont nanostructurés et ont une densité très faible de l’ordre de 0,1 g/cm³avec une très grande surface interne de pores » explique Tatiana Budtova. 

Depuis, d’autres chercheurs se sont emparés de ce nouveau matériau et travaillent sur d’autres polymères biosourcés comme l’amidon ou la pectine. Ces bio-aérogels, tout en conservant les mêmes propriétés que les aérogels à base de silice, comme, par exemple, une très faible conductivité thermique, ne contiennent aucune substance toxique. Cette particularité permet des applications multiples en cosmétique, agroalimentaire ou pharmacie. Dans ce dernier domaine, l’utilisation de bio-aérogels est très prometteuse comme matrice pour assurer une libération contrôlée de des principes actifs de médicaments. Autre exemple d’application, l’agriculture : en se dégradant lentement, la cellulose va libérer progressivement la substance active contenue dans un engrais.

« Aujourd’hui, plusieurs freins doivent encore être levés comme le vieillissement trop rapide des matériaux biosourcés, la cherté du procédé de séchage visant à enlever le liquide contenu dans le gel ou encore la préservation de la nano-porosité du matériau après un séchage simple » explique Tatiana Budtova. Autant de pistes sur lesquelles elle travaille pour assurer à ces bio-aérogels une utilisation compétitive à grande échelle industrielle.

Microstructure d'aérogel à base de pectine

Des chercheurs du Centre des Matériaux d’IMT Mines Alès (C2MA) travaillent eux aussi sur les polymères biosourcés depuis une trentaine d’années. Leurs recherches portent plus particulièrement sur le chitosane issu de la carapace de crustacés et l’alginate extrait d’algues. « Nos recherches historiques visent à utiliser ces polymères dans l’élaboration de matériaux capables de fixer des métaux et d’immobiliser des principes actifs » précise Eric Guibal, enseignant-chercheur à l’IMT Mines Alès. 

Dans le cadre de ces recherches, les équipes de l’IMT Mines Alès ont élaboré des mousses à porosité ouverte ou fermée. Après plusieurs années de R&D, leurs avancées ont permis d’aboutir à la création d’un nouveau matériau – l’ALGIMEL – une mousse à porosité fermée équivalente à du polystyrène mais d’origine marine et naturelle. 

Thierry Vincent, chercheur référent du projet développe : « Ce nouveau matériau est très intéressant car il possède des propriétés d’isolation thermique forte et de retard de flamme. De même, son empreinte environnementale est excellente puisqu’il peut, si on le souhaite, se dégrader naturellement dans du compost ménager ».

La création de ce nouveau polymère biosourcé permet d’envisager des applications multiples pour les loisirs créatifs, les panneaux isolants pour la construction et l’isolation des réfrigérateurs mais aussi comme alternative aux boîtes isothermes en polystyrène qui une fois abandonnées ou rejetées dans la nature polluent et ne se dégradent pas.

« ALGIMEL est issu d’une ressource naturelle limitée et déjà très sollicitée notamment dans l’alimentation. C’est pourquoi nous recherchons aujourd’hui des applications industrielles de ‘niche’, en remplacement du polystyrène ou polyuréthane dans le packaging isotherme ou de l’isolation des enceintes réfrigérées pour limiter, dans un secteur bien défini, l’utilisation de matériaux pétrosourcés » complète Thierry Vincent. 

Avec ces matériaux biosourcés, les laboratoires du Carnot M.I.N.E.S développent des produits industriels et des biens de consommation durables, plus naturels et respectueux de l’environnement. Grâce à leurs futures applications industrielles, ces matériaux participeront demain à la nécessaire transition environnementale de toute notre société. 

Mousse polymère bioscourcée - IMT Mines Alès -  © Stéphane Boda