Rapport conjoncture 07264 1. - cnrs.fr · «conjoncture» de ce rapport a e´te´ e´laboreé ... «Syste`mes supra et macromolećulaires: pro-prie´te´s, fonctions, ingeńierie»

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SYSTEMES SUPRAET MACROMOLECULAIRES :

PROPRIETES, FONCTIONS, INGENIERIE

President de la section

Serge PEREZ

Membres de la section

Patricia BASSEREAU

Emanuel BERTRAND

Bernadette CHARLEUX

Patrick DAVIDSON

Gero DECHER

Alain DURAND

Laurent FONTAINE

Cyprien GAY

Jean-Francois GERARD

Martin IN

Dimitri IVANOV

Maryse JOLY

Francoise LAFUMA

Helene LANNIBOIS-DREAN

Christian LIGOURE

Monique MAUZAC

Alain RAMEAU

Philippe RICHETTI

Jean-Claude SOUTIF

AVANT-PROPOS

Les delais impartis pour la realisation d’unrapport de conjoncture et d’un rapport de pros-pectives ne nous ont pas permis d’obtenir unevalidation du document joint, par l’ensembledes membres de la section 11. Cette validationne pouvant se faire qu’apres examen du texteet debat, lors de la session d’automne 2006. Ilconvient donc de considerer comme provi-soire, l’ensemble de ce rapport. La partie« conjoncture » de ce rapport a ete elaboreeselon des analyses et reflexions qui avaientdebute lors de la session de printemps 2005.De ces analyses et reflexions peuvent natu-rellement etre emis quelques elements deprospective ; ces elements accompagnentles presentations des differentes thematiquesscientifiques de la section. N’ayant pas fait l’ob-jet de discussions plus approfondies et de vali-dation, c’est volontairement que nous n’avonspas souhaite les rassembler au sein d’un rap-port de prospectives scientifiques. Le rapportfinal vous sera communique apres son adop-tion en seance pleniere par la section.

Rapport_conjoncture 07264 - 13.12.2007 - 11:23 - page 283

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1 – INTRODUCTION

� Au debut des annees 90, des chercheurschimistes, physiciens, et physico-chimistes,concernes par des preoccupations communesse rassemblaient au sein d’une meme sectiondu Comite National de la Recherche Scienti-fique. Du premier intitule « Systemes moleculai-res complexes » (1992-2004) au plus recent« Systemes supra et macromoleculaires : pro-prietes, fonctions, ingenierie » (depuis 2005),cette communaute s’est construite et s’est illus-tree par des contributions remarquees al’echelle internationale. Les preoccupationsde cette communaute concernent les systemesmoleculaires de taille mesoscopique qui peu-vent etre decrits a l’aide de concepts et d’outilscommuns ; ces systemes peuvent etre elaboresa partir de veritables liaisons covalentes ou autravers d’interactions moleculaires faibles. Unecaracteristique commune a ces systemes est lagamme d’echelles auxquelles ils peuvent etreordonnes (du nanometre au micrometre). Decette organisation resultent un certain nombrede proprietes remarquables, par exemple desreponses a des faibles perturbations. Il existedonc un continuum allant de la synthese demolecules et macromolecules nouvelles, leursmises en forme, jusqu’aux etudes physico-chi-miques et physiques. Les activites fondatricesde la communaute se declinent autour de lachimie des molecules de bas poids moleculai-res (cristaux liquides, amphiphiles, etc.) pourl’elaboration de Systemes Moleculaires Organi-ses, de la chimie, macromoleculaire, et de laphysique et physicochimie des systemes resul-tant de ces chimies. La prise en compte desystemes constitues de biopolymeres et demateriaux macromoleculaires naturels, est ega-lement une des caracteristiques de cette sec-tion. Les mots clefs qui caracterisent lasection 11 sont les suivants :

– conception, synthese et proprietes d’ob-jets moleculaires, supramoleculaires et macro-moleculaires ;

– physique et Physico-chimie des systemesmoleculaires organises (colloıdes, cristauxliquides, amphiphiles, surfaces et interfaces) ;

– procedes de polymerisation et mise enforme des polymeres ;

– materiaux polymeres et biomateriaux ;

– physique et chimie des objets biologiquesdes macromolecules biologiques et de leurassemblage.

Ces derniers volets correspondent a uneevolution forte d’une partie de notre commu-naute qui se preoccupe davantage de ques-tions fondamentales et d’applications dans ledomaine des Sciences du Vivant, du Diagnos-tique, et de la Therapeutique. Alors que certai-nes de ces preoccupations sont deja anciennes(biopolymeres, environnement, vectorisationde principes actifs, etc.) d’autres impliquentdes physiciens dans l’etude de phenomenesbiologiques complexes et dans les deve-loppements concomitants d’instrumentationsdediees. De ce point de vue, la section 11 serevendique du point triple : biologie-chimie-physique, et constate en son sein la progres-sion constante des concepts et outils requispour aborder cette nouvelle complexite.

� Les departements scientifiques concernespar les activites de la section sont : Chimie,Mathematiques, Physique, Planete et Univers ;Sciences du Vivant, Ingenierie.

La section 11 en chiffres :

Chercheurs : 273 chercheurs CNRS, dont206 geres par le Departement SC, 53 par leDepartement MPPU. 7 chercheurs sont affectesdans des laboratoires relevant du DepartementIngenierie, 7 dans des unites relevant duDepartement Sciences du Vivant.

Le nombre d’ITA est de 280, alors que361 enseignants-chercheurs s’identifient a desthematiques portees par la section 11.

Les chercheurs de la section participenta 20 GDR.

Section 11 principale

Departement SC

UPR 4 (ICS, CRPP, ICSIM, CERMAV)

UMR 13 (Enseignement Superieur)

RAPPORT DE CONJONCTURE 2006


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UMR 4 (Industrie, Fondations...)

FRE 2

Departement MPPU

UMR 3 (Enseignement Superieur, CEA,INSERM)

Section 11 secondaire

Departement SC MPPU ING SDV

Unites 13 11 6 6

� Le present rapport (1) debutera par unepresentation de l’etat de l’art et des perspecti-ves des divers axes scientifiques qui consti-tuent le socle thematique de notre section.

– 1. Chimie des Polymeres et de la MatiereMolle ;

– 2. Materiaux et Systemes Fonctionnels ;

– 3. Physique et Physico-Chimie de laMatiere Molle ;

– 4. Surfaces et Interfaces ;

– 5. Interface Physique-Biologie ;

– 6. Theorie et Simulation.

Un tableau recapitulatif permet d’appre-cier les laboratoires concernes par ces differen-tes thematiques.

� Dans une deuxieme partie, ce documentfera etat des relations dans lesquelles les per-sonnels de la section sont impliques au seindu CNRS. Ceci permet de degager quelqueselements de reflexion quant au positionne-ment de la section au sein de l’etablissement.Le partenariat fort qui existe avec l’enseigne-ment superieur fait l’objet d’une analyse finerevelant des elements d’inquietude quant aurecrutement a venir de chercheurs et leurimpact sur le devenir des unites de recherche.Une enquete menee aupres de l’ensembledes unites de recherche relevant de la sectiona permis de confirmer l’intensite des liensnoues avec l’industrie. Quelques reflexionssur les transferts technologiques et l’evaluationdes actions de valorisation sont egalement pre-sentees. Une mention particuliere est natu-rellement reservee a l’insertion des unites de

recherche dans l’espace europeen de la recher-che, analysant l’intensite de leurs participationsaux programmes communautaires.

2 – CHIMIE DE LA MATIEREMOLLE

Les chimistes de la matiere molle utilisentles concepts et les outils de la chimie macro-moleculaire ou de la chimie organique pourelaborer de nouveaux systemes moleculairesorganises. S’ils ne developpent pas de nouvel-les voies de synthese, ils sont a l’affut de leursdeveloppements pour les adapter a leursbesoins, c’est-a-dire, moduler la portee, l’inten-site et la specificite des interactions entre col-loıdes.

Dans leurs evolutions recentes, les cher-cheurs œuvrant dans ce champ de recherchevisent a diversifier le type des interactions enjeu. Les interactions hydrophobes ne sont plusles seuls moteurs de l’auto-association ; lesliaisons hydrogene, mais egalement les inter-actions de nature bio-inorganique (emprun-tees de la chimie de coordination) sontegalement mises a profit (comme l’indique lenouvel intitule de la section). Une des proprie-tes recherchees est la « stimulabilite », avecl’ambition de combler un fosse entre l’echellenanometrique et l’echelle macroscopique. Ons’approche, en cela des demarches « bottom-up » qui sont mises en œuvre dans le cas desmateriaux hierarchises. Ces nouvelles tendan-ces traduisent le rapprochement de la matieremolle et de la matiere dure (minerale et orga-nique, nanotubes de carbone et polymeres,etc.).

De nombreux articles de prospectivesmontrent que l’auto-assemblage est desormaisenvisage a des echelles plus grandes que cellede la molecule. L’auto-assemblage proprementcontrole constitue un procede de mise enforme. La chimie supramoleculaire et la phy-sico-chimie de l’auto-assemblage se rencon-

11 – SYSTEMES SUPRA ET MACROMOLECULAIRES : PROPRIETES, FONCTIONS, INGENIERIE


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trent autour de ce que l’on pourrait appeler lachimie « supra-colloıdale ».

Pour le premier aspect, auto-assemblagea des echelles de plus en plus grandes, deuxapproches sont possibles : la premiere relevedu procede et consiste a manipuler les col-loıdes un par un pour les disposer comme onl’entend. Cette approche fait appel a des dispo-sitifs de types micro-fluidiques (dont les deve-loppements concernent aussi notre section). Ladeuxieme est une approche moleculaire eta l’equilibre qui est a priori plus difficile maisqui presente l’avantage d’etre plus facilementtransposable a la production a grande echelle.Pour cette seconde approche, la chimie despetites molecules est d’une importance capitalepuisqu’elle cree les briques de base des assem-blages ainsi que les agents de couplage quipermettront de controler leurs interactions etde les associer.

Le second aspect qui concerne la mise enforme de materiaux par auto-assemblage peutetre illustre par la formation de materiauxmineraux mesoporeux autour d’auto-assem-blages de tensioactifs ou de particules colloı-dales. De ce point de vue, la section 11 n’a pasete souvent a l’initiative de cette demarche. Enrevanche, les concepts qui s’y sont developpessont couramment utilises et les chimistes dusolide impliques dans ce type de recherchesollicitent des collaborations au sein de notrecommunaute aussi bien pour disposer demolecules nouvelles, que pour beneficier d’ou-tils et de competences en analyse structurale(diffusion centrale de rayonnement, structurelyotrope et thermotrope, etc.).

Enfin le troisieme aspect qui semblecontenir les premices d’un rapprochemententre la chimie supramoleculaire et la phy-sico-chimie de l’auto-assemblage resulte dufait que lorsque l’on veut doter un auto-assem-blage d’une fonctionnalite on est amene a leconsiderer dans sa specificite. Or tradition-nellement, la physicochimie de la matieremolle, dans ses developpements theoriquesles plus spectaculaires, a eu comme demarchede privilegier des aspects tres universels, inde-pendants des details moleculaires de l’auto-assemblage et de leur comportement. On

s’est plus interesse a des effets entropiques(depletion, fluctuations, etc.) qu’a la compo-sante enthalpique et specifique. Pour obtenirdes auto-assemblages fonctionnels (c’est-a-direavec faculte de reconnaissance, d’adaptationou de stimulation) la chimie de synthese resteencore le verrou principal.

Les chimistes de la matiere molle de lasection 11 et qui ne sont pas des polymeristessont en fait un peu « dilues » et peu visibles(certains meme un peu amers, etc.). Leursthemes de recherches et leurs objectifs sontparfois plus visibles et mieux reconnus dansd’autres sections (telles que la section 12 :Architectures moleculaires : Synthese, meca-nisme et proprietes ou la section 15 : Chimiedes materiaux, nanomateriaux et procedes) etl’on a vu parfois la difficulte de certains cher-cheurs a se positionner au sein de l’une oul’autre de ces sections. De ce point de vue, lerecent transfert d’une equipe importante de lasection 12 vers la section 11 temoigne de l’im-portance des recherches qui s’y developpentet constitue un bel atout pour l’importancede notre section dans le domaine des autoassemblages.

3 – CHIMIE DES POLYMERES,MATERIAUX ET SYSTEMES

FONCTIONNELS

3.1 CHIMIE DES POLYMERES

La chimie macromoleculaire s’orientevers un controle toujours meilleur, toujoursplus parfait, des architectures de chaıne, cequi passe par la proposition de nouveauxmecanismes reactionnels ou l’amelioration dela connaissance des mecanismes existants ;cette demarche est souvent indissociable del’etude approfondie du procede de synthese.L’objectif, dans cette approche, est de pouvoircontroler a une echelle superieure les assem-



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blages macromoleculaires pour aller vers desassemblages supramoleculaires, des materiauxdont on sait maıtriser les proprietes, et des sys-temes complexes. Ce sont donc les grandesvoies de synthese macromoleculaire qui sonta l’origine de toute demarche tournee versl’elaboration d’architectures : polymerisationsioniques (anionique et cationique des ethyle-niques, ouverture de cycle), polymerisationsdes olefines par coordination, polymerisationradicalaire, polycondensation, modificationchimique.

Dans la plupart des grandes methodesde polymerisation, seuls quelques laboratoiresfrancais sont bien impliques dans l’etude etl’amelioration des systemes et la propositionde nouvelles methodes de synthese et sontreconnus au niveau international pour leurstravaux. Les succes et la renommee internatio-nale peuvent avoir diverses origines :

– i) un savoir-faire et une connaissancefondamentale historiquement bien etablis quiassurent encore une bonne visibilite, mais avecun avenir incertain (cas des polymerisationsanioniques et cationiques) ;

– ii) un soutien industriel qui vise le longterme (polymerisation radicalaire, catalysede polymerisation, procedes de polymerisa-tion ou de modification chimique commel’extrusion reactive, polymerisations en milieudisperse, et dans une moindre mesure poly-condensation) ;

– iii) une impulsion donnee par le CNRS, leMinistere via des programmes incitatifs ou desprogrammes/reseaux europeens, avec l’ouver-ture vers d’autres disciplines (catalyse, radica-laire, extrusion reactive).

Il ne faut pas necessairement augmenterle nombre de laboratoires impliques car lemorcellement serait fatal a une bonne visibiliteinternationale, mais renforcer les equipesexistantes et deja reconnues, en insistant surl’emergence de nouvelles thematiques.

La faiblesse du domaine est probable-ment le fait d’un trop grand cloisonnementdes disciplines. L’ouverture vers la syntheseorganique, la catalyse homogene et hetero-

gene, la biologie, etc. a montre par le passetoute son efficacite pour la conception de nou-velles voies de synthese.

Beaucoup d’equipes et de laboratoiresutilisent la synthese macromoleculaire commeun outil d’elaboration de polymeres fonction-nalises ou fonctionnels avec des proprietesbien definies. La relation entre structure macro-moleculaire et propriete visee est donc aucœur de la demarche mise en œuvre. Cettedemarche est donc moins tournee vers la com-prehension fine des etapes elementaires de lapolymerisation mais reste neanmoins uneapproche de chimiste des polymeres et utiliseles memes outils. De tres nombreux domainesd’application sont ainsi concernes : peintures,revetements, membranes, optique, electroni-que, biomedical (diagnostic et therapeutique),cosmetique, analyse chimique, purification,etc. L’approche est souvent indissociable decelle qui est appliquee dans le domaine desmateriaux et systemes fonctionnels decrit ci-apres, meme si elle reste en amont.

3.2 MATERIAUX ET SYSTEMESFONCTIONNELS

L’activite de recherche dans le domainedes materiaux polymeres recouvre de nom-breux domaines et ainsi diverses communautesreunies sur une demarche « Materiau » qui aintrinsequement un caractere pluridisciplinaireassociant :

– des approches et outils empruntes a lachimie macromoleculaire et la physico-chimiepour l’elaboration de materiaux a partir de bri-ques elementaires : monomeres, oligomeresfonctionnels, copolymeres structurants, nano-objets organiques, inorganiques ou hybrides,etc. assembles par des liens chimique (polyme-risation) ou physique (cristallisation, separa-tion de phase, etc.) ;

– des approches et methodologies de phy-sique des materiaux associees aux sciences del’ingenieur ;



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– la prise en compte des procedes avecleurs differents volets lies au genie des proce-des.

Cette demarche « Materiau » prenant encompte les divers domaines chimie/procedes/physique, reconnue dans le monde anglo-saxon sous la terminologie « Materials Enginee-ring », reste rarement mise en œuvre dans leslaboratoires francais compte-tenu du morcelle-ment du paysage scientifique avec des labora-toires ayant pourtant des expertises reconnuesdans chacun des domaines.

La chimie macromoleculaire est en effetessentielle pour le design de materiaux macro-moleculaires puisqu’elle gouverne la syntheseet l’assemblage des briques elementaires decri-tes au dessus mais aussi pour la generationd’interfaces definies et pour la durabilitedes materiaux (vieillissement chimique no-tamment). La synthese macromoleculaire et lamodification chimique conventionnelles sontdonc mises en jeu dans cette demarche « Mate-riau » mais cette derniere se distingue toutefoisde la demarche traditionnelle de la chimiemacromoleculaire, principalement focalisee surl’etude des mecanismes elementaires de poly-merisation, en s’interessant a leurs usages et al’analyse des processus chimiques en situationd’elaboration des materiaux, allant quelquefoisjusqu’aux conditions de procede. En effet dansces conditions, des phenomenes de diffusion,des phenomenes thermiques, etc. peuvent per-turber les processus chimiques et physiques etrequerir un retour sur les etapes elementaires dela synthese pour conduire aux comportementsphysiques vises. Developper un nouveau mate-riau polymere en prenant en compte en parti-culier des criteres lies aux procedes imposede s’interesser au developpement de formula-tions faisant appel alors aux methodologies etconcepts de physico-chimie. De la meme facon,cette approche globale peut permettre de faireappel a la chimie verte ou a des approches dechimie durable, des conditions de proceded’elaboration plus respectueuses de l’environ-nement, approches encore peu developpeesdans nos laboratoires « Materiaux ».

Dans la derniere decennie des materiauxinnovants ont ainsi pu etre prepares dans les

equipes de recherche de la section 11 du CNen :

– associant chimie des polymeres et autreschimies comme la chimie minerale, sol-gelpar exemple. Dans ce dernier cas, des actionsde recherche rapprochant les communautesdu sol-gel et des polymeres ont permis enFrance au meilleur niveau international, desapproches tres originales pour le design demateriaux hybrides organiques-inorganiquesnanostructures y compris dans des conditionsde procede d’elaboration de materiaux poly-meres conventionnels ;

– visant des morphologies nanostructureesen considerant des nano-objets organiques(copolymeres a blocs, polymeres hyper-rami-fies, clusters organiques-inorganiques, nano-particules et nanotubes) ;

– s’interessant a des concepts de chimiessupramoleculaires en utilisant les processusd’assemblage pour le design d’architectures etmorphologies de materiaux polymeres, appro-che qui peut etre associee a des chimiesde polymerisation a la fois pour la synthesed’objets polymeres assemblables ou pour leblocage des nanostructures obtenues (reticu-lation) ;

– prenant en compte des precurseurs ouobjets macromoleculaires naturels (pouvantetre associes a des structures moleculairesou macromoleculaires synthetiques) ayantdes architectures ou morphologies possiblesgrace aux processus d’organisation specifique.De tels materiaux sont desormais largementetudies compte-tenu de leurs interactions spe-cifiques avec le milieu vivant.

Le volet « Physique » ayant trait a l’etudedes comportements physiques des materiauxpolymeres en relation avec leur architecturemoleculaire et leur morphologie a l’etat fonduou solide et leurs liens avec les conditions deprocede d’elaboration et de mise en forme estegalement tres present dans la communautePolymeres francaise. Des laboratoires francaisont une indeniable avance dans certainsdomaines comme celui de la rheologie desmateriaux polymeres pour leur mise en formeet la comprehension par exemple des meca-



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nismes d’adhesion. Pour d’autres volets,comme celui de la mecanique des polymeres,les laboratoires francais ne tiennent plus lameme place que celle acquise lors du develop-pement d’approches physiques issues de lamecanique des metaux. Cette analyse descomportements physiques dans la demarche« Materiaux Polymeres » necessite bien entendule developpement de methodologies experi-mentales mais aussi de modelisation. Dans cedomaine, si seulement quelques equipes derecherche s’interessent au developpementd’outils de modelisation moleculaire (ato-mistique ou mesoscale) et mecanique, peu detravaux prennent en compte des approchesmulti-echelles comme cela est fait aux Etats-Unis notamment pour une comprehensiondes comportements et les liens avec les proces-sus chimiques ou physiques ainsi qu’avec lesparametres de procede ayant conduit a detelles microstructures. On peut noter dans cedomaine, le fort interet ces dernieres anneesdes laboratoires de notre communaute pourles nanomateriaux meme si peu de travaux sesont reellement interesses au lien des proprie-tes physiques apportees par l’echelle nanome-trique de l’organisation introduite et a ladefinition d’une echelle pertinente de defini-tion de la microstructure.

Enfin des materiaux tres novateurs ont eteelabores grace a des processus physiquescomme l’assemblage d’objets macromolecu-laires ou hybrides y compris dans des outilsd’elaboration de materiaux polymeres conven-tionnels (extrusion). Si l’utilisation de tellesapproches ont permis de belles realisations,notamment avec des copolymeres a blocs, rea-lisations essentiellement dans le domaine desfilms minces et des surfaces, celles-ci restentrares pour l’elaboration d’autres types de mate-riaux alors que des activites de recherche tresactives sont menees a l’etranger.

La prise en compte des procedes et deleurs parametres est essentielle pour la com-prehension a la fois des comportements physi-ques et des retours necessaires a la chimie depolymerisation et de formulation. L’analysefine de l’influence des parametres de procedesavec lesquels sont mis en œuvre les materiaux

implique en effet de comprendre le couplageavec la chimie de polymerisation et les proces-sus physiques en situation d’elaboration et demise en forme. Des laboratoires en s’interes-sant a des polymeres elabores par voie fondusouvent couplee a des approches de simula-tion et d’autres a des materiaux elabores apartir de systemes reactifs, ont acquis dans cedomaine une reelle reconnaissance internatio-nale. De reelles opportunites existent pour ledeveloppement de nouveaux materiaux poly-meres a microstructures specifiques en rappro-chant les communautes de rheologues, dugenie des procedes, de la chimie macromole-culaire et de l’analyse/modelisation des com-portements physiques. Des structurations detype GDR pourraient catalyser de tels rappro-chements.

Dans cette demarche globale « Materiau »associant les trois volets, chimie des poly-meres/procedes d’elaboration et de mise enforme/physique des materiaux, des axes nou-veaux de recherche pourraient se developper :

– approches « combinatoires » : Peu nom-breux sont les laboratoires de la communautedes materiaux polymeres qui ont integre unetelle demarche pouvant necessiter des disposi-tifs experimentaux couteux notamment pourl’analyse des proprietes ;

– approches de type « Life Cycle Enginee-ring » permettant de revenir notamment surdes chimies des materiaux ou des procedesd’elaboration et de mise en forme plus respec-tueux de l’environnement (retour sur des outilsde la chimie durable).

Si des materiaux polymeres sont integresdans des « systemes » ou de demonstrateursdans quelques cas, notamment quand ceux-cine requierent pas d’investissements importantsdans leur conception et fabrication, la mise ensituation d’application afin de verifier la perti-nence des architectures et des morphologiescreees reste rare. Celle-ci fait en effet souventappel a des competences qui ne se sont paspresentes dans les laboratoires polymerescomme par exemple la micro-fabrication, lananolithographie, etc. Cette integration dansdes systemes est le plus souvent realisee dans



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des centres de recherche et developpementd’organismes comme le CEA ou d’industrielspartenaires notamment dans le secteur de lamicroelectronique. Cette faible capacite depouvoir aller vers la definition de demonstra-teurs pertinents pour l’integration de poly-meres, opportunite qui existe dans d’autresgroupes de recherche etrangers comme enAllemagne dans les MPI, est associee une nou-velle fois a une fragmentation des groupes derecherche souvent definis sur un des volets dela demarche « Materiau » qui serait complete etriche en interactions entre communautes scien-tifiques en considerant les aspects Chimies/Procedes/Proprietes Physiques/Systemes.

3.3 BIOPOLYMERES ET MATERIAUXMACROMOLECULAIRES

RENOUVELABLES

La presentation de ce theme ne sauraitetre complete sans mentionner les recherchesmenees dans le domaine des biopolymeres etmacromoleculaires naturels. Ces macromolecu-les, renouvelables sont generees chaque anneesur des quantites estimees a 1012 tonnes. Lesmolecules et biopolymeres glucidiques repre-sentent la majeure partie de cette production,dont a peine 3 % est mis a profit par l’homme.Ces macromolecules sont tres largement pre-sentes chez tous les organismes vivants, consti-tuant la majeure partie des carapaces d’insectes,des parois cellulaires des bacteries, et se trou-vent impliquees chez l’homme et l’animal dansla protection et le bon fonctionnement de cer-tains tissus de l’organisme.

Associees a des proteines et a des lipides,elles apparaissent comme le chaınon neces-saire a de nombreux processus biologiques.Les biotechnologies les consomment commesource de carbone pour la fermentation desmicro-organismes, et les valorisent en metabo-lites secondaires sous forme d’exopolysaccha-rides bacteriens.

Ces differences d’origine se traduisent pardes differences de structures, differences etroi-

tement liees a des fonctions et a des proprietesspecifiques, qui permettent de comprendrel’interet economique de ces macromolecules.Avec ou sans valeur nutritionnelle, les biopoly-meres glucidiques sont des composes de basedes industries alimentaires, qui vont jouer surles proprietes rheologiques pour renforcer,modifier, stabiliser la texture des differentsaliments. Depuis les polysaccharides naturelstraditionnels jusqu’a ceux issus de la biotech-nologie, c’est toute une palette de proprietesphysicochimiques qui est ainsi disponible, enpermettant toutes les mises en œuvre envi-sagees en fonction des applications visees :epaississant, retenteur d’eau, stabilisant, liant,gelifiant, floculant, etc. Compte tenu de tout cepotentiel, l’usage de ces biopolymeres inte-resse de nombreux autres domaines d’applica-tion, pour lesquels l’utilisation de methodes demodifications chimiques n’est plus proscrite,modifications qui vont encore permettre d’elar-gir l’eventail des proprietes.

De tres nombreuses structures gluci-diques presentent une forte potentialite enmatiere d’activites biologiques qui autorisentleur utilisation dans de nombreux domai-nes : biomateriaux (ingenierie tissulaire), pro-tection, vectorisation et liberation controleevoire ciblee, de biomolecules (hormones, pro-teines, genes), organes artificiels. Ces applica-tions, dans leur ensemble, requierent unemaıtrise des structures aux differents niveauxd’organisation, s’appuyant a la fois sur la na-ture chimique des constituants, les diffe-rentes formes physiques qui peuvent enresulter (hydrogels, systemes particulaireset/ou poreux), et la nature des interfaces.L’etude de ces macromolecules constitueune preoccupation majeure pour un certainnombre d’Unites de Recherches, qui etudientla constitution, la structure, les proprietes etles transformations de ces biopolymeres(il convient de remarquer que peu d’etudesconcernent les transformations de type « crac-king » qui permettraient d’utiliser la biomasseen tant que source de carbone et d’hydrogene,et qui produiraient les elements de base dansdes voies de synthese). Les problematiques pro-pres aux recherches dans le domaine des poly-meres glucidiques conjuguent a la fois celles



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11 – SYSTEMES SUPRA ET MACROMOLECULAIRES : PROPRIETES, FONCTIONS, INGENIERIET

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295

issues de la physique et de la physicochimiedes systemes macromoleculaires complexes etde la biologie structurale et fonctionnelle. Lesavancees se heurtent, entre autres, a l’extremecomplexite des analyses structurales, aux diffi-cultes actuelles de bien maıtriser et controlerles voies de biosyntheses, ainsi qu’au caracterepoly-electrolytique, tres souvent marque, deces macromolecules.

Les methodes de modifications chimiques(et enzymatiques) sont appliquees avec succes,meme si elles se heurtent au caractere poly-fonctionnel de ces macromolecules et aux dif-ficultes de caracterisations structurales. Ellessont mises en œuvre sur des macromoleculesaccessibles au travers de differents procedesd’extractions physiques, et permettent d’ac-croıtre la palette de structures disponibles,ouvrant de ce fait de nouvelles explorations,en particulier dans le domaine des systemesauto-associatifs. La mise en œuvre de ces biop-olymeres dans le domaine des materiaux vades fluides complexes aux solides, en passantpar les gels physiques ou chimiques, et lescolloıdes. L’association de polysaccharidesnaturels avec des polymeres de synthese estegalement un domaine a developper pourune meilleure comprehension des phenome-nes d’interface et pour l’elaboration de mate-riaux composites a proprietes nouvelles : elledoit integrer tous les aspects chimiques et phy-sicochimiques de compatibilisation entre lesdeux especes.

Certains polysaccharides sont biosynthe-tises et bioasssembles sous forme de monocris-taux tres allonges (largeur de 2 a 50 nm pourune longueur excedant souvent le micron),dans lesquels les chaınes de polymeres sontorientees selon le grand axe des cristallites.Objets anisotropes, noncentrosymetriques,et de tres hauts modules mecaniques, cesnanomateriaux offrent de nouveaux champsd’investigation au niveau des dispersions, aux-quelles ils donnent lieu dans des solvants dif-ferents, de leurs capacites a s’auto-associer enassemblage de type cristal liquide, voire denouvelles mises en œuvre pour obtenir desmateriaux bio-mimetiques. Ces travaux n’ex-cluent en aucun cas, des modifications chimi-

ques en phase heterogene, qui permettent unemeilleure compatibilisation avec des solvantsou matrices environnantes.

4 – PHYSIQUE ET PHYSICO-CHIMIE (FORMULATIONDE LA MATIERE MOLLE)

La recherche en physique et physico-chimie de la « matiere molle » vise essentielle-ment a comprendre l’organisation statique etdynamique d’assemblages supramoleculairesformant les fluides complexes sur des echellesspatiales et temporelles les plus etenduespossibles. Cette demarche doit permettre d’ela-borer de nouveaux systemes (par syntheseet/ou formulation), de degager des relationsstructures/comportements macroscopiques etde conduire ainsi a des applications. Il s’agitd’une recherche tres pluridisciplinaire qui irri-gue de nombreux domaines connexes (inter-face physique/biologie, par exemple) et quiconcerne de tres nombreux secteurs industriels(petrole, pharmacie, cosmetique, agro-alimen-taire, detergents, etc.). Les objets de ces etudessont principalement les polymeres en solutionet a l’etat fondu, les composes amphiphiles, lescristaux liquides et les milieux disperses etcolloıdaux. Ce champ d’activite existe depuisplus d’un siecle mais presente un developpe-ment plus rapide depuis les annees 1970 gracenotamment a l’impulsion des travaux theori-ques de l’ecole de de Gennes, au developpe-ment des grands instruments et a la richessetoujours croissante des applications industriel-les. La creation de la section 15 (devenue sec-tion 11 en 2004) au debut des annees 1990 enest le reflet. Ainsi, des bases experimentales ettheoriques solides ont ete jetees pour tout cequi concerne les aspects « statiques » (structu-res, textures, forces intermoleculaires et inter-particulaires, diagrammes de phases, etc.) desystemes relativement simples (composants dememe nature et en nombre reduit, a l’equilibrethermodynamique, etc.).



296

4.1 LES METHODES D’ETUDES

Par rapport a ce constat, un certainnombre d’avancees globales plus recentesmeritent d’etre mentionnees ici. Des systemesnettement plus complexes, de par le nombre etla nature de leurs constituants, leur concentra-tion, leur confinement, leur caractere stimu-lable, sont a present abordes avec succes. Denombreuses equipes de recherche etudient lesaspects « dynamiques » en relation avec les pro-prietes structurales, developpant ainsi la rheo-physique de ces systemes. L’apparition destechniques de « micro fluidique » et meme de« nano fluidique » -mise en œuvre des fluidesconfines a l’echelle micronique (nanome-trique)-, appliquees aux fluides complexes esten plein essor. Ces techniques ont des perspec-tives applicatives nombreuses et ont conduit,par exemple, a la creation d’une unite mixte enpartenariat avec Rhodia. En parallele, l’instru-mentation (grands instruments et techniquesde laboratoire) s’est particulierement amelio-ree dans les domaines de l’imagerie et de ladiffusion des rayonnements (micro-diffraction,temps-resolu) ainsi que par la mise en œuvred’environnements d’echantillons originaux etperformants (tels que les dispositifs d’echantil-lon a gradient de composition pour l’etuderapide de la structure de systemes multiphasi-ques par SAXS). La communaute s’est structu-ree autour de plusieurs grands centres et denombreuses equipes de taille plus modeste,qui sont, et on ne peut que le regretter, beau-coup moins federes par des GDRs nationauxque par le passe. Le caractere tres pluridiscipli-naire de cette thematique constitue bien surune richesse mais il presente egalement sou-vent un handicap en ce qui concerne l’ensei-gnement et le recrutement d’etudiants.

Les systemes macromoleculaires et auto-associatifs concernent plus de 25 % des cher-cheurs de la section. Leur interet se tourneactuellement vers les assemblages de systemescomplexes, multi-composants (polymeres +tensio-actifs, polymeres + colloıdes, tensio-actifs anioniques + cationiques, thermotropes+ lyotropes, etc.). La synthese macromolecu-

laire, de mieux en mieux controlee, fournit desmacromolecules composites dont l’organisa-tion, en solution ou en fondu, est parfois hierar-chique, voire meme mesomorphe a certainesechelles (copolymeres a blocs cristaux liquides),et des polyelectrolytes complexes qui sont l’ob-jet de nombreuses investigations mais dont lacomprehension reste un defi d’actualite. Lesphenomenes de gelification attirent egalementl’attention des chercheurs dans ce contexte.Cette thematique trouve un prolongement natu-rel vers l’interface physique/biologie dans lesetudes des systemes ADN/tensioactifs examinesen vue de la therapie genique et dans cellesdes systemes polymeres/proteines en vue dela cristallisation de proteines membranaires.Les applications industrielles des systemes abase d’amphiphiles posent toujours de nou-velles questions, en particulier sous l’angle deleur formulation pour obtenir simultanementplusieurs proprietes a priori contradictoires(proprietes rheologiques et de mouillage desshampooings et des peintures, par exemple).Ce champ de recherche est egalement abordedans des situations bidimensionnelles, sousforme de films (couches de Langmuir, depot« layer by layer », mousses, etc.). Les principalesdifficultes proviennent de la comprehensionencore trop incomplete des interactions elec-trostatiques en solution aqueuse.

4.2 LES CRISTAUX LIQUIDES

Le domaine des cristaux liquides thermo-tropes se renouvelle actuellement dans plu-sieurs directions au niveau international. Lasynthese de molecules mesogenes vise le plussouvent soit a l’obtention de composes meso-genes « coudes » dont le polymorphisme estriche et novateur soit a exploiter les asso-ciations supramoleculaires pour produire degrands edifices tres complexes qui s’organisentparfois avec des periodes de l’ordre de ladizaine de nanometres, voire plus. De maniereplus generale, la synthese de nouveaux cris-taux liquides thermotropes n’est plus represen-tee que dans quelques centres ; il y a la unappauvrissement qui contraste avec la situation



297

internationale. Neanmoins, les recents deve-loppements synthetiques en direction de syste-mes et de phases de plus en plus complexes,en France comme a l’etranger, entrainent uncertain renouvellement des techniques d’etudestructurale (diffusion anomale des rayons X,reconstitution de cartes de densite elec-tronique, etc.). L’expression de la chiralitemoleculaire au niveau macroscopique, parl’apparition de mesophase cholesterique parexemple, est une question fondamentaleencore mysterieuse qui suscite de plus enplus de travaux. Les elastomeres cristaux-liqui-des presentent un interet croissant car ils com-binent l’elasticite des reseaux polymeres avecdes proprietes electriques et optiques. D’unpoint de vue theorique, ils fournissent egale-ment des problematiques originales. Dans desarchitectures sophistiquees, ils peuvent etreutilises pour elaborer des muscles artificiels,mais les temps de reponse restent encore troplongs et le rendement trop faible pour desapplications. Le dopage de phases nematiquespar des nanoparticules minerales conduit ade nouveaux systemes presentant de meil-leures proprietes optiques et magnetiques. Ledomaine d’application privilegie des cristauxliquides thermotropes reste evidemment celuide l’affichage. Ceci necessite un controlede plus en plus fin de leurs proprietes interfa-ciales et de leurs defauts, une activite assezbien representee dans notre communaute. Enrevanche, d’autres dispositifs electro-optiquesincorporant des cristaux liquides (OFETs,OLEDs, stockage optique de data, materiauxphotoniques, etc.) se developpent actuelle-ment rapidement dans l’industrie et force estde constater un decalage croissant entre cesactivites d’ingenierie et les competences cou-vertes actuellement par les unites relevant de lasection.

4.3 LES MATERIAUX COLLOIDAUX

La section 11 concerne egalement le vastedomaine des colloıdes dans lequel la Francepossede une grande tradition de recherche..

Les dispersions colloıdales peuvent etre tresfluides (suspensions diluees de particules, demicelles ou de vesicules, emulsions) ou, aucontraire, tres pateuses dans les systemes dits« encombres » dont la rheophysique est actuel-lement en fort developpement en Francecomme a l’etranger. Les problemes en suspens,comme l’influence de la polydispersite, leseffets d’anisotropie, les effets de specificiteionique, la sedimentation et l’electrophoresede suspensions concentrees, relevent de traite-ments delicats d’un point de vue theorique etnecessitent la mise en œuvre d’instrumenta-tions sophistiquees. Par ailleurs, l’expansionrapide, a l’echelle mondiale, de la « chimiedouce » (c’est-a-dire une chimie minerale ensolution et a relativement basse temperature,derivee des procedes sol/gel de polyconden-sation inorganique), representee notammenten section 15 du Comite National conduit ades rapprochements feconds qui avaient enFrance ete inities avec succes par le GDRFORMES. C’est le cas par exemple de l’appari-tion des solides mesoporeux en vue d’applica-tions dans les domaines de la catalyse et dela filtration. C’est aussi le cas des systemeshybrides organiques/inorganiques (nanoparti-cules/tensio-actifs), des materiaux compositescomme les systemes polymeres/argiles utilisesdans l’industrie automobile et des bio-colloıdesdeveloppes pour l’imagerie medicale et la vec-torisation de principes actifs. Le theme de labiomineralisation se rattache egalement a cecourant. Les nanotubes de carbone dont la dis-persion sous forme individuelle reste un defimajeur sont de plus en plus employes dansdiverses formulations faisant intervenir parexemple des polymeres usuels (filage desnanotubes) ou des amphiphiles en vue deleur solubilisation. Les proprietes exception-nelles de tels materiaux assureront probable-ment la croissance rapide de ce champ derecherche encore plusieurs annees.

Comme il est deja apparu plus haut, larheophysique est une sous-discipline quiconnait depuis quelques annees une forteexpansion et qui concerne des systemes expe-rimentaux tres varies. Comparee au contexteinternational, la communaute francaise main-tient une position tres solide, tant du point de



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vue theorique qu’experimental. Les questionsen suspens touchent surtout aux compor-tements non-lineaires qui conduisent a desinstabilites elastiques, des fractures fluidesautoreparantes, des transitions sous-cisaille-ment, des ecoulements instationnaires et fina-lement au « rheo-chaos ». L’evolution rapide dela microfluidique souleve naturellement laquestion du comportement rheophysique defluides complexes en situation de confinement.Les problematiques voisines de dynamiquelente et de vieillissement des systemes encom-bres, dans lesquels les fluctuations ne sont pasforcement de nature thermodynamique, atti-rent actuellement un grand engouement inter-national ou la France est bien representee. Ceciest du aux avancees rendues possibles par denouvelles approches theoriques et de nouvel-les techniques instrumentales de diffusion desrayonnements (DWS et XPCS). Cette proble-matique des verres colloıdaux a enrichi, en larenouvelant celle des verres durs ; elle a natu-rellement deborde largement le cadre de notrecommunaute en interessant en particulier noscollegues de la section 5.

Pour terminer, l’etude de systemes deplus en plus complexes d’une part et le deve-loppement massif de la puissance de calcul desordinateurs d’autre part conduisent au deve-loppement grandissant des simulations nume-riques aux echelles mesoscopiques, commetechnique alternative aux experiences et ala theorie en matiere molle. Elle deviendrade plus en plus incontournable scientifique-ment. Si la simulation numerique en matieremolle est de niveau excellent en France, elledemeure quantitativement sous-critique. Elleest largement dominee en Europe par l’Ecoleallemande initiee par K. Binder. Un effortimportant de recrutement et/ou un encourage-ment a la conversion thematique de chercheursen simulation issus de la physique de la matierecondensee « dure » devraient etre menes.

5 – SURFACESET INTERFACES

Les recherches consacrees aux surfaceset aux interfaces, a leur elaboration, a leursproprietes et a leurs comportements, sontextremement nombreuses et variees. Pour seconvaincre de cette effervescence, il suffit deparcourir des revues scientifiques generalistespour constater qu’une proportion importanted’articles traite de ces sujets et ce, dans differen-tes disciplines allant de la chimie a la physique,en passant par la biologie et l’ingenierie. Bienque fluctuant d’une thematique a une autre, cedynamisme est soutenu depuis plusieursannees voire decennies. C’est le cas en sciencedes materiaux et plus particulierement en ce quiconcerne la matiere molle ou les systemessupra et macromoleculaires offrent beaucoupde possibilites d’etude. Les concepts et lesoutils theoriques pour apprehender des proble-matiques specifiques aux interfaces, lorsquecelles-ci sont relativement simples, sont plutotbien maıtrises, qu’ils relevent de la thermo-dynamique, de la mecanique, de la rheologieou de l’hydrodynamique. De meme, de nom-breuses techniques experimentales se sontdeveloppees ou adaptees afin de creer, demodifier, de manipuler ou de caracteriser dessurfaces, solides ou liquides dans differentsenvironnements.

Aujourd’hui, le cadre conceptuel et tech-nique est plutot mature permettant ainsi des’interesser a des systemes de plus en pluscomplexes mettant en jeu par exemple desmateriaux aux proprietes non-triviales (fluidesviscoelastiques), des materiaux composites(l’interface integre plusieurs constituants), desmateriaux heterogenes (heterogeneite chimi-que ou rugosite controlee), des materiaux reac-tifs (stimulables par leur environnement oupar un champ exterieur) ou des systemesactifs (systemes biologiques hors de l’equilibrethermodynamique qui ont une activite fonc-tionnelle influencant les proprietes interfacia-les). Ces recherches fondamentales sur dessystemes de plus grande complexite trouventun echo evident dans de tres nombreuses



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applications, qu’elles soient naturelles, inspi-rees par exemple de la biologie, qu’ellessoient courantes en agro-alimentaire, cosme-tique ou mecanique ou qu’elles soient beau-coup plus high-tech comme en reclamentl’electronique, l’electro-optique, l’electromeca-nique ou le biomedical. Ces applicationsnecessitent des surfaces ou des films interfa-ciaux apportant une ou plusieurs fonctionnali-tes. A titre indicatif on peut en citer quelquesunes, comme la reactivite ou la compatibilitechimique, l’adhesion, la lubrification, le mouil-lage, le renfort mecanique ou rheologique, laselectivite dans la permeabilite, la capture ou laprotection, l’ancrage pour induire un ordrelocal ou encore la selectivite optique.

Pour obtenir des surfaces avec de tellesproprietes, beaucoup d’efforts sont consacres aleur elaboration, en ameliorant ou en diversi-fiant les procedes. Ceux-ci peuvent etre chimi-ques, par exemple par fonctionnalisation,greffage, polymerisation locale ou croissancecristalline. Il existe egalement differentestechniques physico-chimiques, par exemplepar adsorption, electrodeposition, traitementplasma, photogravure ou spin-coating. Maisegalement des procedes physiques, par exem-ple par jet moleculaire, ablation laser, depotpar evaporation, magnetron ou encore gravurepar bombardement de particules. Beaucoup deces techniques de modification de surfacesdemandent un savoir-faire consequent quireleve plus de l’expertise que de la routine.Avoir la competence de plusieurs de ces tech-niques au sein d’une meme equipe ou meme al’interieur d’un institut n’est pas courant.

De fortes competences sont egalementsouvent necessaires pour la caracterisation. Ilfaut distinguer deux types de caracterisation.La premiere concerne la surface, l’interfaceou la couche superficielle en tant que telle,pour en determiner sa composition, sa struc-ture ou encore sa morphologie. Les techniquesde choix sont les differentes spectroscopies,adaptees pour les surfaces, (Auger, de masse,photoelectrons, fluorescence, RX, neutron,etc.), les techniques d’imagerie par microsco-pie (optique, electronique, ionique, a champproche, etc.) ou encore les techniques meca-

niques (indentation, profilometrie, etc.). Lesecond type de caracterisation concerne lesproprietes des surfaces, les fonctionnalitesvisees par l’elaboration ou la modification.Dans le cadre d’une recherche fondamentale,bien souvent cette caracterisation de proprietesuppose le developpement d’une instrumenta-tion specifique. Comme pour l’elaboration dessurfaces, on retrouve generalement une fortespecialisation des equipes de recherche sur untype de fonctionnalite et peu de diversitememe a l’echelle d’un institut.

Les developpements technologiques fontque la tendance de ces dernieres annees est a lacaracterisation aux echelles micro et nanome-triques. Le leitmotiv est une approche multi-echelle des phenomenes pour une compre-hension globale. Cette motivation est legitime,car bien souvent, une surface, une interface,une couche interfaciale peut avoir differentestailles caracteristiques ; moleculaire mais aussisupramoleculaire due aux inhomogeneites ouaux reseaux de defauts, et bien sur micro oumillimetrique par leur rugosite intrinseque ouleur texturation. De nouveau on constate unespecialisation des equipes experimentales.Bien souvent elles se limitent a une seuleechelle d’etude. Peu d’equipes ont reellementune approche multi-echelle avec differentsmontages complementaires pour couvrir unelarge gamme.

Comme nous l’avons deja souligne, larecherche consacree aux surfaces et aux inter-faces s’autoalimente par les besoins d’innova-tion technologique dans de tres nombreuxchamps d’application. L’essor actuel des nano-technologies ne peut que renforcer cette tresforte demande. En miniaturisant les dispositifs,la proportion de surface devient de plus enplus importante necessitant souvent de nou-velles solutions technologiques a un probleme.Lubrifier et refroidir un MEM ne se fera pasavec une huile.

Ce champ de recherche est tres actif maisaussi tres concurrentiel. Afin d’etre competiti-ves, les recherches doivent s’appuyer a la foissur de l’originalite et des competences poin-tues. Elles reclament egalement une chaınede competences bien souvent pluridisciplinai-



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res (chimie, physique, ingenierie et biologie) ala fois pour l’elaboration et la caracterisation.Les systemes supra et macromoleculaires sontdes materiaux de choix pour se livrer a de tellesetudes. Ils sont extremement varies dans leurforme et offrent beaucoup de possibilites dansleurs proprietes. La communaute francaise dela matiere molle s’interesse depuis toujours aces problematiques d’interfaces, de surfaces,de membranes ou de couches interfaciales.C’est par tradition une de ses preoccupationsqui lui a valu des contributions majeures et desleaderships par exemple sur le mouillage, lesmesophases de membranes ou encore lesemulsions. Sa culture sur ces sujets est forte.Cette communaute nationale est morcelee, tresdispersee. La plupart des laboratoires ayantune activite notable sur les systemes supra oumacromoleculaires ont generalement au moinsune equipe travaillant sur des problematiquesd’interfaces. A une ou deux exceptions pres(seul l’ICSI ?), aucun de ces instituts n’affichecependant cette thematique comme son axeprincipal de recherche. Aussi reunir sur unmeme site, meme geographique, la chaıne plu-ridisciplinaire de competences permettant defaire de l’elaboration originale et de la caracte-risation fine n’est pas usuel. De plus, la com-munaute francaise souffre globalement d’undesequilibre de competences. Si elle possedeplusieurs equipes de tres bon niveau interna-tional de caracterisation ou de modelisation,elle est beaucoup moins riche en equipes eten chercheurs pouvant elaborer des systemesoriginaux. Ils forment une espece rare, recher-ches et sollicites par leurs collegues physico-chimistes ou physiciens. Ce constat est egale-ment generalisable a l’echelle internationale. Ily a certainement plus besoin actuellement derecruter des chimistes, des physico-chimistesou biologistes elaborateurs ou formulateursde nouveaux systemes et de preference dansun environnement proche des equipes decaracterisation.

6 – INTERFACEPHYSIQUE-BIOLOGIE

6.1 INTERFACE PHYSIQUE/VIVANT

L’interface entre la physique et les scien-ces du vivant a connu un essor tres importantces dernieres annees au niveau international etnational. Elle se situe a la frontiere entre laphysique, la chimie, et differentes branchesdes sciences du vivant : la biologie cellulaire,plus recemment la biologie systemique, la bio-logie du developpement ainsi que la sante. Cedomaine necessite une approche multidiscipli-naire, qui a ete soutenue par un effort pouraccroıtre le nombre de chercheurs d’autresdomaines dans les laboratoires (physiciens enbiologie, ou biologistes en physique). On peutobserver que l’interpenetration des communau-tes de physiciens et de biologistes s’est ainsiamelioree dans certains laboratoires, maisreste encore reduite globalement. On observeaussi un engouement parmi les meilleurs etu-diants pour cette discipline ainsi qu’une fortepression au niveau des candidatures CR.Notons que les domaines de cette interfacesont en partie aussi couverts par la section 5avec des themes tres semblables. Certainsthemes ont continue a se developper, mais denouveaux sont egalement apparus. Les themessaillants sont resumes dans ce qui suit.

6.2 MESURES A L’ECHELLEDE LA MOLECULE UNIQUE

Depuis quelques annees, les physiciensont mis au point des experiences tres « poin-tues » permettant de mesurer le comportementde molecules biologiques a l’echelle de lamolecule unique a l’aide principalement depinces optiques ou de pinces magnetiques.Ce type de techniques qui etaient un « tour deforce » a peine imaginable au debut des annees1990 a permis de mesurer initialement les pro-prietes mecaniques de certaines biomolecules



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(ADN en particulier, mais egalement des pro-teines), puis de caracteriser les mecanismesd’interaction avec d’autres proteines ou desenzymes (RecA, topo-isomerase, helicase,polymerase, etc.) avec l’ADN ou l’ARN. Lacontribution des groupes francais est impor-tante dans ce domaine. De la meme facon, ledetail des mouvements de moteurs lineaires ourotatifs est progressivement decrypte. Desenergies de rupture entre un ligand unique etson recepteur impliques dans l’adhesion cellu-laire ont pu egalement etre mesurees. Au-delade la structure moleculaire fournie par les bio-logistes structuralistes, ces experiences permet-tent donc d’acceder a la fonction de cesmolecules. Cet enorme effort experimental aete complete utilement par des modeles theo-riques fondes sur l’utilisation de la mecaniquestatistique. De nouvelles molecules peuventencore etre etudiees a l’echelle individuelle(d’autres moteurs, d’autres proteines liees al’ADN ou ARN et impliquees dans la replica-tion, la transcription, le fonctionnement duribosome, etc.) et cette caracterisation estessentielle. Neanmoins, les aspects collectifsmettant en jeu plusieurs molecules commen-cent a etre pris en compte de meme que lecouplage de ces molecules a d’autres elementscellulaires (membrane, cytosquelette, etc.), cequi est necessaire pour rendre compte des sys-temes biologiques.

Au-dela des experiences de manipulationde molecules uniques, on assiste au develop-pement d’experiences in vivo sur le suivi dumouvement de molecules uniques dans desmembranes plasmiques ou a l’interieur de cel-lules. Ces approches de la dynamique cellu-laire ont a la fois beneficie du progres de lasensibilite des techniques de fluorescence etde la preparation de nanoparticules ou denanocristaux fonctionnalises, auxquelles ontcontribue les physiciens et les physico-chi-mistes, mais elles ont en retour accelere cesameliorations techniques. Ces experiencessont certainement amenees a se multiplier etdevraient conduire a des collaborations encoreplus etroites entre physiciens, chimistes et bio-logistes cellulaires.

6.3 PHYSIQUE DE LA CELLULE

La physique de la cellule met en jeu,dans de nombreux cas, des echelles de lon-gueur et de temps qui sont typiquement cellesde la matiere molle. En consequence, lesconcepts d’auto-organisation, de transitionthermodynamique, et plus encore dyna-mique, s’averent etre des outils conceptuelsimportants. C’est un domaine de choix pourl’interaction physique/biologie car la realisa-tion des experiences necessite une connais-sance simultanee et approfondie de labiologie cellulaire, de la physique des milieuxcondenses et de l’optique. La contribution dela communaute francaise dans ce domainetant en theorie qu’en physique experimentaleest tres bien reconnue sur le plan internatio-nal. De nouvelles microscopies comme lamicroscopie multiphotonique, la microscopiefondee sur le transfert resonant de fluores-cence ou sur la correlation de fluorescenceont ouvert la voie ces dernieres annees aune approche quantitative de la dynamiquecellulaire. Differentes techniques de microma-nipulation ont egalement produit des mesuresprecieuses sur le comportement mecaniquedes cellules et sur celui de leur membrane.L’adhesion, la signalisation, le transport intra-cellulaire, la mitose, la motilite cellulaire, latransduction des signaux sont des exemplesde domaines ou les interactions entre phy-sicochimie et biologie apporteront beaucoupet ont deja commence a produire des resultatsnouveaux. L’etude de systemes plus integreset complexes, tels que les systemes sensorielsa ete abordee recemment.

6.4 LES SYSTEMES BIOMIMETIQUESET RECONSTITUES

La realisation et l’etude de systemesreconstitues mimant une fonction biologiqueparticuliere representent des outils trescomplementaires des etudes realisees sur les



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systemes cellulaires, et menent a une compre-hension plus detaillee que par l’etude directedu vivant. Ces systemes permettent de deter-miner quels sont les elements et les parametresphysiques ou biologiques pertinents, puis deles faire varier de facon controlee dans desgammes plus etendues qu’in vivo, tout enpermettant une analyse quantitative. Une com-paraison plus directe avec des modeles theori-ques est ainsi facilitee et a ete souvent tresfructueuse. Citons les exemples des vesiculesgeantes contenant des pompes a ions actives,la polymerisation d’actine induite a la surfacede billes ou de vesicules et mimant le mouve-ment de la bacterie Lysteria, l’adhesion de vesi-cules contenant des molecules ligands sur dessubstrats fonctionnalises par leurs recepteurs,la formation de nanotubes de membranes pardes moteurs moleculaires mimant les structurestubulaires impliquees dans le transport intra-cellulaire etc. Les etudes se sont attacheesa introduire differents aspects hors-equilibredu fonctionnement cellulaire, les interac-tions cytosquelette/membrane, cytosquelette/membrane/moteurs. D’autres etudes cherchenta mimer des proprietes d’adhesion dans dessituations se rapprochant de celles du vivant.Les mecanismes de la motilite peuvent aussis’aborder de maniere biomimetique. Les conse-quences de l’assemblage supramoleculaire deproteines sur les membranes commencent ega-lement a etre considerees.

Physique des systemes multicellulaires

Ce domaine est encore peu developpe,mais est appele a un essor rapide. Quelquesproblemes importants ont commence a etreabordes par notre communaute : l’organisationet la communication dans des populationsde neurones, la morphogenese et la differen-ciation dans le developpement de l’embryon(en particulier, le role de contraintes meca-niques), la morphogenese de systemes simples(par exemple, l’hydre). Mais beaucoup reste afaire. Les physiciens de la section 11 peuventtres certainement contribuer a de nouvellesapproches dans la biologie du developpement.L’etude des tissus cellulaires commence egale-

ment a se mettre en place, soit du point de vuede l’adhesion, du developpement, ou de lacicatrisation. Enfin, comprendre l’influence deparametres exterieurs tels que le confinement,le manque de nourriture, la presence de virus,etc. sur l’evolution d’une colonie bacteriennerepresente un pas supplementaire dans l’etudede ces systemes collectifs. Il est tres probableque les approches physique et physico-chimique apporteront une nouvelle maniered’aborder ces differents problemes.

Systemique : etude des reseauxbiologiques

Un des enjeux importants de la physiquedes systemes vivants sera d’aller au-dela de ladescription de composants individuels et d’in-tegrer differents niveaux d’information pourcomprendre le fonctionnement plus globalde systemes biologiques (par exemple, lachimiotaxie chez les bacteries, les circuits deneurones, la reconnaissance immune, le deve-loppement embryonnaire, etc.). La systemique(System Biology) est un domaine tres en pointeactuellement en biologie. Elle se developpeegalement dans les meilleurs laboratoiresetrangers de biophysique tant au niveau desexperiences que des concepts et outils d’ana-lyse theorique a mettre en place, mais dans unnombre encore tres reduit de groupes francais.Il s’agit de comprendre et de decrire les circuitsde base dans la regulation de la transcription,dans la signalisation, dans la mecano-transduc-tion et dans le developpement d’evaluer le roledu bruit, ou alternativement la robustesse deces reseaux. Un systeme relativement simplesemble etre un bon point de depart : les hor-loges biologiques. Ce domaine est donc clai-rement appele a de developper dans lesprochaines annees, mais cela necessitera unenouvelle evolution de la communaute desphysiciens issus de la matiere molle, car ilfaudra s’adapter a d’autres outils experimen-taux et conceptuels.



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6.5 BIOTECHNOLOGIE,GENOMIQUE ET PROTEOMIQUE

Notre communaute peut intervenir a plu-sieurs niveaux dans la biotechnologie. Grace ason savoir acquis dans le domaine du greffagedes molecules aux interfaces, elle a contribueactivement a la realisation de « biochips » dontle succes en biologie et en medecine a ete tresrapide, mais qui sont encore en plein deve-loppement. Notre culture en physicochimiecolloıdale/matiere molle permet egalementd’aborder la conception et la realisation denouveaux procedes utilisables en genomique,en proteomique, en separation et diagnostiquecellulaire. Il y a la une carte importante a jouer.Les nano- et microtechnologies, en particulierdans le domaine de la microfluidique, sontappelees a jouer un grand role a l’interfacephysicochimie/biologie. On peut ainsi envisa-ger de pouvoir controler completement l’envi-ronnement d’une cellule unique a la fois gracea une fonctionnalisation de la surface controleespatialement a l’echelle de la taille cellulairegrace a la micro-lithographie et a un apportcontrole de substances grace a la micro-fluidique. Les laboratoires sur puces sont unexemple des applications technologiques aux-quelles des groupes de notre communaute ontcontribue. Pour l’instant, les analyses genomi-ques ont ete laissees en grande partie auxmathematiciens : la physique statistique com-mence a s’interesser au sujet et est susceptibled’apporter un eclairage nouveau. Les etudessur le repliement des proteines devraientouvrir le champ d’investigation aux fonctionsde ces proteines.

Systemes pour l’Innovationtherapeutique

La delivrance specifique au niveau cellu-laire de substances actives, agents de diagnos-tic ou medicaments, vers un organe ou un tissubiologique donne, represente aujourd’hui undefi majeur pour le depistage et le traitementde maladies humaines graves d’origine infec-

tieuse, cancereuse ou genetique. Depuis quel-ques annees, un certain nombre d’equipesrelevant de la section 11 mais aussi d’autressections (notamment les sections 5 et 16) deve-loppent des etudes a la frontiere entre physico-chimie de la matiere molle et biologie dontl’objectif est de repondre a une attente de sys-temes performants pour l’imagerie medicale invivo ou la vectorisation de principes actifs the-rapeutiques. Les caracteristiques structurales etles dimensions de ces systemes doivent etrecompatibles avec celles du vivant et obliga-toirement permettre le passage des barrieresbiologiques que sont les membranes cellulai-res, ce qui, sans ambiguıte, releve du domainedes nanotechnologies. D’une facon corollaire,on remarque un interet florissant pour lamodelisation des interfaces biologiques. Lebut est ici de tester puis de comprendre lesinteractions de molecules ou de colloıdes pos-sedant une fonction biologique, soit pour endegager les parametres mecanistiques, soitpour mettre au point des systemes vecteursde biomolecules. L’ensemble de ces themati-ques fait appel a des disciplines majeures dela section 11 comme l’ingenierie macromole-culaire, la physico-chimie des lipides et amphi-philes ou la chimie des colloıdes metalliquesou organometalliques, mais s’ouvrent egale-ment sur d’autres secteurs de la recherchepuisque les enjeux appartiennent au domainebiomedical : techniques d’imagerie, biochimie,biologie cellulaire ou animale, pharmacotech-nie. La diversite des sujets et des systemesetudies est remarquable. Certains s’inscriventdans la continuite du quadriennal precedent :structure et dynamique de molecules biologi-ques, proteines ou ADN, inserees dans desphases d’amphiphiles lyotropes lamellaires oucubiques (confinement d’enzymes, liberationcontrolee de biomolecules, vecteurs efficacespour la transfection, nucleosomes), systemesmixtes lipides/tensioactifs (modeles de mem-brane, formation de pores membranaires,transition micelle-vesicule, reconstitution deproteines membranaires), colloıdes pour lavectorisation (emulsions, liposomes, nano-spheres et nanocapsules de polymeres,polymeres associatifs, dendrimeres, colloıdesmagnetiques) ou pour l’imagerie (nanoparti-



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cules metalliques ou organometalliques, nano-cristaux d’oxydes de metaux de transition oude semi-conducteurs). Parallelement, on notel’essor de systemes hybrides plus complexesassociant polymeres et lipides ou particulesmetalliques, ou encore derives metalliqueset lipides (latex biocompatibles, liposomesfurtifs, magneto-liposomes, lipoparticules).Un effort remarquable emerge dans le domainede la fonctionnalisation de surface chimiqueet/ou biochimique de nano-objets pour lesrendre compatibles avec les milieux biologi-ques et adressables a un tissu-cible ou unecellule-cible : nanotubes de carbone modifiespour le transport de principes actifs, nanopar-ticules metalliques ou nanocristaux d’oxyde defer pour l’imagerie, les traitements par hyper-thermie ou la vectorisation magnetique demedicaments, quantum dots ou nano-sondesde fluorescence. On voit egalement se deve-lopper une chimie originale pour la synthesede nouveaux derives amphiphiles capables des’auto-assembler et dotes d’une activite biolo-gique propre (par exemple reconnaissance cel-lulaire, activite antibacterienne ou antivirale)conduisant ainsi a des systemes biomimetiquespolyfonctionnels. Se constitue ainsi progressi-vement un vivier interdisciplinaire propice al’innovation therapeutique.

Interface Physique/biologie vegetale

Sous forme de graines, tubercules outiges, les organes vegetaux sont le siege d’as-semblages de milliers voire de dizaines demilliers de molecules et macromolecules diffe-rentes. Ces assemblages resultent de program-mations genetiques spatio-temporelles et demecanismes d’auto-organisation, qui condui-sent a la formation de systemes organisesaussi complexes qu’une paroi vegetale, ungrain d’amidon, un corpuscule proteique ouun tegument. Le developpement des techni-ques analytiques a permis la caracterisationprecise de la composition chimique fine deces systemes de macromolecules vegetales ;ceci ne permet toutefois pas d’apprehenderune fonction biologique, une propriete fonc-tionnelle voire une operation technologique.

Les caracterisations des interactions a caracterefonctionnel doivent etre developpees, ainsique la comprehension et la modelisation deces structures et/ou mecanismes de l’echellemoleculaire a l’echelle supramoleculaire. L’am-bition est de ne pas restreindre le cadre dutravail qui doit permettre de comprendre etde modeliser les structures, les interactionsmoleculaires et macromoleculaires, leursassemblages et leurs dynamiques, dans desenvironnements aussi varies que les solutions,les interfaces ou les phases condensees. Encomplement des approches qui relevent classi-quement de l’etude des systemes moleculairesorganises, il est desormais possible d’integrerl’ensemble des outils qu’offrent les avancees dela biologie, tant au niveau de la perturbationdes fonctions biologiques par des modifi-cations moleculaires a l’aide des outils de labiologie moleculaire, qu’au travers des modifi-cations de l’expression et de la regulation dugenome. Une communaute scientifique com-prenant des chercheurs INRA et CNRS est entrain de se constituer autour de cette thema-tique tres originale sur la scene internationale.

Les lipides naturels : preoccupationfondamentales et finalisees

Les lipides naturels et leurs derives sontlargement utilises dans les formulations deproduits pharmaceutiques et cosmetiques ettouchent par essence la mise en œuvredes produits agroalimentaires. Leur aptitude aformer des auto-assemblages et creer des inter-faces (compartimentation) les rend capables destructurer les materiaux dans lesquels ils sontincorpores. L’etude de l’infinie variete desstructures formees par ces molecules qu’ellessoient d’origine animale ou vegetale ou encoresynthetique fait directement partie des preoc-cupations de la section 11. En tentant de com-prendre et d’influer sur l’organisation de cesbiomateriaux, il s’agit de repondre a desbesoins precis des differentes industries impli-quees et de preparer leurs evolutions futuresainsi que celles de nos societes. A cet egard, lacristallisation en emulsion dans les produitslaitiers, la stabilisation des mousses alimentai-



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res (ex. creme glacee) ou cosmetiques par lastructuration de mesophases, la nanoencap-sulation de principes actifs (medicaments,vitamines, aromes, etc.) sont des exemples derecherches pour lesquels un lien fort avec larecherche fondamentale sur des systemesmodeles et l’utilisation des grands instruments(SAXS, SANS) est indispensable. Notons aussique la recherche de moyens efficaces de reduc-tion des risques de maladies cardiovasculairespar une modification de la consommation deslipides selon les recommandations des nutri-tionnistes devrait mobiliser de plus en plusd’equipes et de moyens.

7 – THEORIE ET SIMULATION

La theorie et la simulation en matieremolle different assez fortement de leurs homo-logues dans d’autres disciplines : PhysiqueStatistique, Chimie Theorique (Quantique,Reactivites, methodes mixtes, etc.) Sciencesdu Vivant (modelisation moleculaires et assem-blages de biomolecules, etc.). Outre les objetsd’etude, ces differences tiennent aux methodesmises en œuvre et au niveau de description dessystemes etudies.

7.1 SINGULARITE DE LA THEORIEET DE LA SIMULATION

EN MATIERE MOLLE PAR RAPPORTA D’AUTRES DOMAINES

Le paysage theorique francais en matieremolle est marque par Pierre-Gilles de Gennes.Dans le domaine des polymeres neutresd’abord, puis dans plusieurs autres domainesde la matiere molle, l’emploi des lois d’echelless’est accru. Il se justifie dans les situations ou unphenomene physique pilote le comportementdu systeme a des echelles spatiales comprisesentre deux tailles caracteristiques du systeme.Leur emploi a fortement influence les appro-

ches theoriques de physique de la matieremolle ainsi que, dans une moindre mesure,les methodes de simulation.

La simulation en matiere molle est ainsisouvent une methode classique (dynamiquemoleculaire ou Monte Carlo) appliquee a unedescription mathematique simplifiee des meca-nismes sous-jacents (qui, eux, relevent specifi-quement de la matiere molle : deformation desobjets, interactions entre objets).

Plus generalement, autant pour la theorieque pour la simulation, les methodes em-ployees en matiere molle se singularisent parle fait que l’objet d’etude est complexe et faitintervenir des echelles spatiales et/ou des phe-nomenes intermediaires entre l’echelle ato-mique et l’echelle macroscopique, et que parconsequent le choix de l’echelle pertinente dedescription est crucial, ainsi que l’articulationentre plusieurs echelles lorsque c’est utile etpossible (approches multi-echelles).

Notons une autre singularite de la theo-rie et de la simulation dans le domaine dela matiere molle : l’interaction avec les expe-riences est frequente et l’interet reciproqueest soutenu. De nombreux experimentateurselaborent leurs propres modeles, souventavec l’outil des lois d’echelle. Il s’agit doncd’un tissu continu de competences entre expe-rience et theorie.

7.2 THEMES MAJEURSDE LA MATIERE MOLLE

DANS LESQUELS LA THEORIEET/OU LA SIMULATION JOUENT

UN ROLE IMPORTANT

Polymeres

Deux types de methodes theoriques sesont developpees en France pour decrire lespolymeres neutres : la lignee Flory/Semenov/Milner-Witten-Cates (methodes de physiquestatistique et champs auto-coherents) et lalignee de Gennes-Pincus (lois d’echelles). Les



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apports deja anciens et qui sont largement uti-lises aujourd’hui dans la communaute concer-nent les polymeres neutres greffes ou adsorbesaux interfaces, avec notamment tout le champdes interactions colloıdales (actuellement plusactivement sur les polyelectrolytes aux interfa-ces), mais egalement le domaine du mouillage,celui de la friction (tribologie, nanotribologie),celui de l’adhesion (renforcement par interpe-netration). Dans le domaine des polymeresneutres en volume, apres des contributionsfrancaises seminales sur les copolymeresdiblocs, des travaux de simulation sont menesactuellement sur des architectures moleculairesoriginales (copolymeres multiblocs, copolyme-res en peigne ou en etoile, polymeres enanneau, etc.) en fondu et en solution. Des tra-vaux de theorie et de simulation sont egale-ment menes sur la rheologie des polymeresfondus d’architecture variee, sur la transitionvitreuse des polymeres fondus en volume(par elaboration d’algorithmes appropries auxmouvements rares) et des polymeres confines(films polymeres ou polymeres fortement char-ges). Des travaux theoriques sont egalementpoursuivis dans le domaine des polyelectroly-tes (notamment des polyelectrolytes hydro-phobes), et dans celui des polysavons. Dessujets apparentes sont egalement etudies ensimulation : phenomenes de percolation, decroissance et d’agregation (irreversible et,recemment, reversible).

Le domaine des polymeres, quoiqu’an-cien, est donc tres actif sur certains sujets. Il aaussi largement irrigue d’autres domaines dela matiere molle.

Cristaux liquides

Les cristaux liquides constituent l’autredomaine historique de la matiere molle fran-caise. Les questions fondamentales ont ete lar-gement etudiees, et constituent aujourd’hui uncœur de competences de notre communaute.Les recherches experimentales et theoriquesont porte a la fois sur les thermotropes (sur-tout sur les aspects d’identification de phases,de description des defauts, de transitions de

phases et d’elasticite), et sur les lyotropes(avec en outre un volet plus recent et tresactif sur la rheologie de ces systemes, voirplus bas), ainsi que sur certains systemesmixtes (polymeres cristaux liquides).

Aujourd’hui, les cristaux liquides ontbeaucoup irrigue l’ensemble de la commu-naute. Pour l’essentiel, a part quelques raresquestions fondamentales nouvelles etudieesen tant que telles (par exemple la transmis-sion de la chiralite aux grandes echelles), lescompetences cristaux liquides sont incorpo-rees a divers domaines (mouillage, materiaux,electronique) :

– films minces, transitions d’ancrage,depouillage (proprietes interfaciales des cris-taux liquides) ;

– mise en forme de materiaux composites :interactions entre objets (isotropes ou aniso-tropes) meditees par l’elasticite d’un cristalliquide ;

– materiaux contenant des cristaux liquideset devant marier de nombreuses proprietes :afficheurs souples, photovoltaıque, etc.

Fluides complexes sous ecoulement

Initiee dans les cristaux liquides ther-motropes et plus encore dans les lyotropes,l’etude du comportement rheologique des flui-des complexes est un domaine relativementrecent et actuellement particulierement actifdans le domaine de la matiere molle. Outreles lyotropes, le domaine couvre actuellementles emulsions, les micelles connectees, lesmousses, les milieux granulaires. Le lien s’eta-blit progressivement toujours davantage avecla communaute des rheologues (plutot ancreesur les polymeres) et avec celle des mecani-ciens (materiaux granulaires).

Trois grandes questions sont etudiees surces systemes :

– la localisation des ecoulements dans l’es-pace (bandes de cisaillement, fractures) et dansle temps (fluctuations, intermittence, « rheo-chaos ») ;



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– la description de la transmission desefforts dans ces milieux heterogenes et amor-phes, notamment pour des milieux granulaires ;

– les transitions d’ecoulement (transitionvitreuse, jamming, vieillissement).

La simulation du comportement de cessystemes est typique de l’approche theoriquede la matiere molle : il s’agit le plus souventd’une methode classique (dynamique mole-culaire ou Monte Carlo) appliquee a unedescription mathematique simplifiee des meca-nismes sous-jacents (qui, eux, relevent specifi-quement de la matiere molle : deformation desobjets, interactions). Les techniques des dif-ferents groupes different souvent par le degrede precision choisi d’un cote au niveau desmecanismes microscopiques, de l’autre auniveau de la mecanique macroscopique.

Mecanique des materiaux solidesheterogenes

Il s’agit de systemes tels que les mate-riaux composites a base de colloıdes, de copo-lymeres a blocs, ou de fibres, les moussespolymeres solides, les biomateriaux et lesmateriaux biomimetiques, les elastomerescharges aux petites et meme aux grandesdeformations... Du point de vue de la theorieet de la simulation, ce domaine est deja anciendans d’autres communautes (materiaux, meca-niciens), sans prendre en compte de maniereprecise le comportement a l’echelle mesosco-pique. Les travaux purement theoriques sontrares aujourd’hui. Dans notre communaute,ce domaine a longtemps ete restreint a la syn-these et a la caracterisation. Cependant, le lienavec les autres communautes se developpe auniveau de la simulation a mesure que d’unepart le comportement mecanique aux echellesmesoscopiques, accessible par les outils de lamatiere molle, devient pertinent, d’autre partque les techniques multi-echelles et les puis-sances de calcul actuelles permettent cetteincorporation. On note meme des travauxvisant a faire le lien avec d’autres phenomenesphysico-chimiques (fracture, corrosion). Il y aegalement dans notre communaute, et dans

des communautes tres proches, des travauxnumeriques importants sur la transmissiondes efforts dans des milieux solides amorphes.

Biophysique

Le domaine de la biophysique a ete forte-ment irrigue par la communaute de la matieremolle, c’est meme une tendance lourde cons-tatee ces dernieres annees. Des experiencesnombreuses sont accompagnees par un effortimportant en theorie et souvent en simulation.

Certains sujets profitent de la communauteet de l’experience acquise dans les domainesdes membranes : fluctuations et interactionsentre membranes, percement membranaire,interaction entre proteines et autres objets mem-branaires, adhesion cellulaire (recrutement desligands).

D’autres s’appuient davantage sur l’ex-perience dans les polymeres : role des sucresdans les interactions membranaires, ejection del’ADN ou de l’ARN viral, motilite cellulaire etdynamique du cytosquelette (polymerisation,rheologie des polymeres semi-flexibles, gelsactifs, elasticite, mouillage), dynamique desmecanismes biochimiques a la fois au niveauatomistique et a de plus grandes echelles(replication, transcription, denaturation/rena-turation des proteines, activite enzymatique,repliement de l’ARN et modulations de l’ex-pression, reconnaissance et hybridation, diffu-sion des enzymes).

Citons aussi des travaux theoriquesimportants qui accompagnent le develop-pement rapide d’outils pour la biochimie(plusieurs generations de methodes d’electro-phorese) et pour la microchimie (microflui-dique, electro-osmose).

D’autres sujets, menes par des person-nes de la meme communaute, s’appuient demaniere plus globale sur les outils traditionnelsde la matiere molle : moteurs moleculaires,mouvement sans force.

On notera par ailleurs le domaine desbiomateriaux, deja evoque, ou les volets de



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simulations numeriques conjuguent cellesdeveloppees dans le domaine de la biologiestructurale a celles propres aux domaines despolymeres. La dynamique moleculaire et lesmethodes de Monte Carlo sont mises enœuvre, parallelement a des approches mesos-copiques qui permettent d’etablir des relationsstructures-fonctions pour des assemblagespouvant contenir plusieurs dizaines de milliersd’atomes.

8 – RELATIONSINTRA-ETABLISSEMENT

La section 11 est une section de taillemoyenne dont le caractere interdisciplinairese traduit par le grand nombre d’unites aux-quelles sont rattaches ses chercheurs, et lenombre de departements scientifiques dontdependent ces unites de rattachement. Lesrecrutements recents effectues par la sectionont permis d’irriguer de maniere importantedes thematiques emergentes dans differentesunites de recherche, peut-etre parfois au detri-ment des unites qui constituent le cœur histo-rique et thematique de la section. Les interfacesavec la physique et la biologie sont evidentes ;celle avec l’ingenierie pourrait etre renforceeen prenant toutefois garde aux trop grandesdisparites quant aux profils et aux formationsdes candidats chercheurs. En tant que sectiondu Comite National, le travail d’evaluation doitnecessairement prendre en consideration cesmultiples interfaces avec d’autres domainesscientifiques. La creation de postes inter-disciplinaires a permis de franchir certainesbarrieres imposees par les contours des Depar-tements et le decoupage en sections. Unereflexion doit certainement etre menee pourprendre en consideration la formidablemontee en puissance de l’interface avec labiologie, et traduire en termes de structured’evaluation et d’animation le dynamisme decette communaute.

Le caractere interdisciplinaire de la sec-tion se traduit egalement par le nombre eleve

de Groupements de Recherches auxquelsparticipent ses chercheurs. Sur les 20 GDR affi-chant la participation des personnels de la sec-tion, certains concernent de maniere tres fortenos thematiques, les directeurs ou directeurs-adjoints etant membres de notre communaute :

– proprietes particulieres des polymeres enfilms ultra-minces (PolyFUM) ;

– dynamique interfaciale sous contraintemecanique (DynInter) ;

– assemblages de Molecules Vegetales :croissance et organisation des plantes (GDRINRA-CNRS).

D’autres concernent des volets de biolo-gie structurale des proteines membranaires etde l’etude des fonctions et de dynamique demacromolecules biologiques, etc. des voletsd’instrumentations (cryo-electromicroscopie,spectrometrie de masse, etc.) ou de problema-tiques issues des nanosciences et nanotechno-logies.

9 – RELATIONS AVECL’ENSEIGNEMENTSUPERIEUR ET LES

AUTRES ORGANISMES

� Le nouveau systeme Doctorat, Master,Licence est maintenant parfaitement integredans les relations qui existent entre les unitesde recherche CNRS et l’enseignement supe-rieur. La quasi-totalite des unites interrogeesfait etat de relations fortes avec ces structuresd’enseignement. Certaines unites se sont forte-ment engagees dans des actions de formationsau niveau Master 2e annee, dans des voletsrecherche et professionnel. La desaffectiondes etudiants pour les etudes scientifiques etplus particulierement pour certaines discipli-nes, telles que la chimie-physique, est inquie-tante pour l’evolution future des Unites deRecherche qui relevent de la section 11. La



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participation des unites de recherche en tantqu’equipes d’accueil au sein des Ecoles Docto-rales est une des caracteristiques affichees, al’exception peut etre des unites en partenariatindustriel. Cette situation de relations avec l’en-seignement superieur n’est cependant pas lameme selon le statut de l’Unite de Recherche,i.e. Unite Propre ou Unite Mixte. Le recrute-ment, au travers des sections du Comite Natio-nal et/ou du flechage par la Direction duDepartement n’a, en aucune maniere, privile-gie les Unites Propres du CNRS. Cette dispariteva s’accentuer dans les prochaines annees, aumoment ou les personnels recrutes dans lesUnites Propres de Recherche partiront a laretraite, sans qu’une politique reguliere derecrutement ait pu etre mise en œuvre depuisplusieurs annees. En revanche, les departs enretraite des enseignants-chercheurs se sontmassivement traduits par des recrutements etaffectations a des Unites Mixtes de Recherche.On constate que peu de jeunes enseignants-chercheurs ont rejoint des Unites Propresde Recherche. On a egalement assiste a unemobilite plus importante des chercheurs versles metiers de l’enseignement. Les differencescriantes qui existent entre l’enseignementsuperieur et le CNRS au niveau des recrute-ments Professeurs / Directeurs de Recherche,puis au niveau des promotions 1re classe etclasse exceptionnelle, ne sont peut etre pasetrangeres a ces mouvements de personnels.Tout ceci contribue de fait a perturber demaniere critique le rapport chercheurs/ensei-gnants chercheurs dans les UMR. Les conse-quences, deja visibles, de ces politiques, ouabsence de politique, ont et auront des impli-cations majeures dans les annees a venir, entreautres au niveau des recrutements de thesards.On constate deja des UPR ayant une rechercheet une organisation de la recherche fortes, quisont confrontees a des difficultes de recrute-ment d’etudiants en these. A leur cote ontrouve des UMR ayant peu de chercheurs sta-tutaires et des enseignants-chercheurs sur-charges, qui desireux de maintenir un niveaude competitivite en recherche sont entouresd’etudiants en stage et en these, dans des envi-ronnements qui ne beneficient pas toujoursd’excellentes conditions d’organisation et d’in-

frastructure favorables aux meilleures condi-tions de recherche. Que dire des jeunesMaıtres de Conference talentueux, qui recrutesdans des conditions de tres forte competitionse voient noyes par des taches d’organisation etd’enseignement qui ne leur permettent pasd’exprimer leur creativite et competences enrecherche !

Il est imperieux qu’une reflexion desorganismes de tutelle puisse avoir lieu rapide-ment surtout dans un contexte ou un certainnombre d’UPR vont voir leur personnel partiren retraite, euphemisme pour decrire une pertemassive de savoir-faire sans que pratiquementaucune action n’ait ete prise pour assurer unminimum de transfert de savoir et de connais-sance. Ce constat s’applique naturellement auxpersonnels ITA souvent garants d’une extra-ordinaire richesse qui s’evaporera, fauted’avoir ete anticipee, des qu’ils auront quitteleur Unite de Recherche. Inventer un nouveaustatut d’Unite de Recherche qui saurait combi-ner la richesse des infrastructures et de l’orga-nisation des UPR, a la richesse, au dynamismeet a l’attraction vis-a-vis des etudiants qu’of-frent les UMR est certainement un axe majeurd’une prospective proche.

� La mixite de certaines unites de recher-che avec les organismes tels que le CEA, tra-duit la richesse et l’anciennete des relations etdes collaborations nouees avec cet organismede recherche. Ces liens sont souvent strategi-ques pour les acces a des tres grands equipe-ments. Les chercheurs de la section ont acces al’Institut Laue Langevin, et sont presents surles lignes de l’European Synchrotron Radia-tion Facility a Grenoble. L’implication denotre communaute dans le projet Soleil estforte. Un partenariat niveau s’est mis enplace recemment entre le CNRS et L’INRA,qui s’est traduit par la creation d’un GDRdont la thematique porte sur les « Assemblagesde Molecules Vegetales ». En complement desanimations classiques d’un GDR, de nouvellesactions de formation ont ete experimenteessous la forme d’un Atelier du Savoir avec ladouble ambition d’utiliser les outils de forma-tion en tant qu’elements de prospectivesscientifiques.



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10 – LIENS AVECL’INDUSTRIE

ET TRANSFERTSTECHNOLOGIQUES

� Le CNRS a vocation de recherche fonda-mentale et de faire progresser les connaissan-ces, de les diffuser et de les valoriser.

La nature meme des substrats d’etude dela section, leurs caracterisations, les voies desynthese, de formulation et de mise en œuvreexpliquent la force du partenariat qui existeavec l’industrie. Citons a titre d’exemples :

– les assemblages macromoleculaires chi-miquement et thermiquement stables ; ceuxqualifies « d’intelligents » qui sont capables dechanger d’etat sous l’action de stimuli, etc. ;

– l’elaboration de nouveaux materiauxmassiques (organiques et/ou hybrides) posse-dant des proprietes fonctionnelles particulieres(electriques, mecaniques – adhesion, renfort,etc.) ;

– la mise en œuvre des macromoleculesissues de la biomasse a des fins d’utilisationsalimentaires et non-alimentaires, voire thera-peutiques, etc. ;

– les nouvelles techniques experimentalesqui dans le domaine de l’optique par exemplepermettent d’aborder des problemes indus-triels importants tels que l’etude des transitionshors equilibres, le vieillissement de la matieremolle, etc. ;

D’autres developpements, dans les do-maines de la micro-fluidique, ou de la bio-technologie, etc. offrent des domaines decollaborations importants.

Ceci explique que la quasi-totalite desUnites de recherche de la section 11 est impli-quee dans des actions de transferts technologi-ques vers l’industrie. Certaines ont beneficie dela loi sur l’innovation et ont participe a la crea-tion d’entreprises innovantes.

� Plusieurs unites mixtes de recherchesCNRS-Industrie abritent des chercheurs de

la section. Ces implications resultent de par-tenariats « historiques » avec des entreprisesœuvrant dans le domaine des grands polyme-res, voire des polymeres de specialites. D’au-tres plus recentes concernent l’emergence de lamicro-fluidique. Ces unites mixtes de recher-che CNRS-industrie sont par la nature meme deleur construction, des structures intrinseque-ment fragiles, pour lesquelles l’appreciationde la pertinence de la thematique choisie doitcorrespondre aux problemes de fonds concer-nant les marches de l’entreprise concernee. Lesexperiences de detachement temporaire dechercheurs dans l’industrie, souvent au seind’unites mixtes, se sont a ce jour revelees posi-tives, la section ayant eu une attention particu-liere dans le suivi des personnels et des unitesimpliquees dans ce partenariat. On peut eneffet penser que c’est au travers de ces structu-res que peuvent se valoriser au mieux desresultats issus d’une recherche fondamentalequi sera irriguee et valorisee par l’experiencedu terrain et l’experience industrielle.

En dehors de ce contexte de partenariat, ilconvient de constater que nous manquons sou-vent d’outils efficaces pour juger des travauxayant une forte composante de valorisation,cette derniere pouvant prendre des aspectsmultiples. Il ne faut effectivement pas sevoiler la face et reconnaıtre que dans lesunites de recherche de notre communauteplus de 50 % de financements des fonctionne-ments sont d’origine contractuelle. Force estdonc de constater que des chercheurs consa-crent une part non negligeable de leur tempsaux actions de valorisation afin tout simple-ment de permettre a leur unite de fonctionner« honorablement ». Si certaines de ces actionspeuvent se traduire par un depot de brevet,est-ce pour autant une transformation reussiedu passage de la creation de savoir a la creationde valeur economique ? Les discours sont flous(la reconnaissance par des promotions etl’attribution de poste DR au titre de la valorisa-tion, promulguee, puis abandonnee, etc.), leconcept de valorisation mal defini et diffici-lement evalue, etc., le tout concourant a unmalaise et a des frustrations de personneldans les unites de recherche.



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11 – ACTIONSCOMMUNAUTAIRES

Certaines Unites de Recherche ont dejaintegre ou integrent dans leurs strategies derecrutement les nouvelles richesses et perspec-tives qu’offre la Communaute Europeenneau travers des differents programmes visanta la construction de l’espace europeen de larecherche. Les difficultes qu’affrontent desunites dans le recrutement d’etudiants enthese au travers des programmes nationaux,sont dans certains cas compensees par les pos-sibilites qu’offrent les programmes communau-taires. Une partie importante des Unitesinterrogees fait etat de participations dans lesprogrammes Marie Curie ; beaucoup dans lecadre des actions individuelles, peu dans lecadre des sites de formation Marie Curie. Nean-moins, tous les acteurs impliques dans ceprogramme s’accordent a reconnaıtre la com-patibilite de sa gestion et des moyens d’orga-nisation d’une Unite de Recherche. Decrirait-on cette action comme etant « a l’echelle dulaboratoire » ! Il n’en est de meme des autresprogrammes du 6e PCRDT, qui necessitentdes investissements et des efforts majeurs,tres souvent hors de portee des Unites derecherche, et ce malgre les aides que peuventapporter les etablissements au travers de lamise a disposition de personnel support. Lesreussites de quelques laboratoires en cedomaine sont naturellement d’interet, maiselles semblent servir plus l’image de l’Etablis-sement que les interets d’une communaute quiœuvre pour disposer des ressources ad hoc

pour mener a bien les recherches en son seinet sans dispersion de ses moyens.

Il convient de mentionner qu’on assistedepuis peu a une fracture, entre les unites quise sont impliquees dans les actions commu-nautaires, et qui ont vu leurs efforts couronnesde succes, et celles, qui pour differentes raisonsn’ont pas fait ce choix ou n’ont pas vu leursdemandes acceptees dans un contexte de tresforte competition. Cette fracture se traduitnaturellement au moment de l’evaluation desunites et/ou des chercheurs, et il faut reconnaı-tre que la participation a des actions commu-nautaires n’est peut etre pas un critered’evaluation suffisamment apprecie. Une posi-tion clairement definie de la Direction Gene-rale serait certainement appreciee et justifieraitde prendre en compte, au meme titre que lesvolets de transferts technologiques, les actionsdes chercheurs et enseignants-chercheurs ences domaines.

Au niveau communautaire, le regroupe-ment des moyens pour faciliter le developpe-ment et l’acces aux tres grands equipements, etla mobilite accrue des personnels, sont desconsequences positives des programmes derecherche europeens. Certaines reticences semanifestent quant aux objectifs prioritaires quijuges trop cibles, ou trop technologiques, sontpercus comme des nuisances a l’efficacite et a laflexibilite de nos actions de recherche. L’appa-rition de nouveaux programmes du 7e PCRDTpermettant l’expression et le soutien a des pro-jets de recherche fondamentale est certaine-ment un element encourageant qui pourraitpermettre de lever les reticences exprimeespar une partie de notre communaute.

Notes

(1) Ce rapport est le fruit d’une ecriture collective a laquelle ontcontribue : Bernadette Charleux, Jean Francois Gerard, SergePerez, Patrick Davidson, Christian Ligoure, Martin In, PhilippeRichetti, Cyprien Gay, Patricia Bassereau et Sylvianne Lesieur.

La coordination finale a ete realisee par le secretaire scienti-fique de la section, Emanuel Bertrand et par le president SergePerez.



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Documents

Rapport conjoncture 07264 1. - cnrs.fr · «conjoncture» de ce rapport a e´te´ e´laboreé ... «Syste`mes supra et macromolećulaires: pro-prie´te´s, fonctions, ingeńierie»