Les batteries sont l'une des technologies clés de la transition vers une société zéro impact sur le climat. La plupart de ces batteries nécessitent l’utilisation de métaux assez rares, par exemple, le nickel ou le cobalt. Le processus d'extraction présente des risques environnementaux importants et les conditions de travail des mineurs sont souvent très mauvaises. Par ailleurs, la technologie actuelle des batteries lithium-ion atteint ses limites tant au niveau des performances et de la durée de vie qu’au niveau de la réduction des coûts, tout en dépendant donc de plusieurs matières premières essentielles. 

L’objectif du projet « Electrocoordination chemistry of s-block éléments in organic media for future batteries » ECOBAT est de proposer des solutions innovantes de nouveaux matériaux tout en approfondissant la compréhension des mécanismes sous-jacents, tant d'un point de vue expérimental que théorique. Des investigations sont conduites pour utiliser des matériaux à base de carbone, naturels et non polluants.  L’ambition de ce projet est donc de répondre aux limitations actuelles de ces batteries lithium-ion pour ce qui concerne leur capacité énergétique, leur durée de vie, et la disponibilité des matières premières nécessaires à leur fabrication. ECOBAT réunit 5 experts dans le domaine des cathodes organiques à haute performance, de l'utilisation efficace des anodes métalliques, des électrolytes avancés, en combinant des approches de chimie expérimentale et de chimie computationnelle.

Dans ce contexte, l’expertise en chimie théorique et computationnelle de Benoît Champagne et Pierre Beaujean permet de simuler ces mécanismes et de les analyser à l’échelle moléculaire. Ces simulations numériques emploient les techniques de la fonctionnelle de la densité (pour caractériser les surfaces) mais également de la dynamique moléculaire ab initio (solution). Elles sont effectuées sur le supercalculateur européen LUMI, le supercalculateur wallon LUCIA, ainsi que sur les clusters du CÉCI et de la plateforme technologique PTCI de l'Université de Namur. Le tout est réalisé dans une approche multidisciplinaire, en étroite collaboration avec des équipes expérimentales (UCLouvain et KULeuven) et d'autres théoriciens (Université de Bonn).

Interrogé dans le cadre du projet au sujet de la manière dont il voit les batteries du futur, Pierre Beaujean explique : 

"La communauté scientifique a presque atteint la capacité théorique des batteries au lithium dans leur conception actuelle. Comme il est peu probable que ces piles au lithium s'améliorent encore, elles ne constitueront pas la technologie de l'avenir. Nous devons changer fondamentalement la nature des batteries, très probablement en choisissant un métal différent. Ce choix impliquera un compromis entre la quantité de charge électrique que nous pouvons stocker et la masse de la batterie.  Il existe de nombreuses possibilités pour les batteries du futur, y compris celles avec des cathodes organiques et polymères, des conceptions sans métal, ou encore des batteries à solution solide.

Le domaine de la technologie des batteries évolue rapidement et je garde l'espoir que celles que nous développons seront meilleures ! 😊"

Le projet ECOBAT (#40007515) est financé par le FWO et le FNRS dans le cadre du programme EOS – The Excellence of Science.

Le Prof. Bao-Lian Su assurera la présidence de l’Association internationale des matériaux mésostructurés (IMMA) pour le deuxième mandat consécutif (chaque mandat ayant une durée de 2 ans). Ce congrès a réuni plusieurs centaines de scientifiques venant de plus de 20 pays différents. Le Prof. Bao-Lian Su avait déjà été élu président de l’association IMMA en 2021 lors du 11th congrès international des matériaux structurés. Il s’agissait du premier belge à recevoir cet honneur. Il y avait reçu le prestigieux “IMMA Award” pour récompenser sa contribution significative au développement des matériaux mésostructurés. Il est le premier belge à avoir reçu cet honneur. Ce nouveau mandat de président de l’IMMA se termine en 2026. 

Le congrès était axé sur des applications telles que le stockage et la conversion d’énergie, la biotechnologie, des applications en catalyse, des aspects environnementaux tels que l’adsorption/séparation et la purification des gaz. 

Le Prof. Su a créé une nouvelle famille de matériaux mésoporeux reconnue par la communauté scientifique sous le nom “CMI”. Il s’agit d’une famille de matériaux mésoporeux à base de silice et d’oxydes de métaux synthétisés à partir d’un surfactant très innovant de type “polyoxyethylène alkyl ether” dans des conditions très douces.  

L’équipe du Prof. Su a été la première à utiliser ce type de surfactant comme agent directeur de structure mésoporeuse. L’équipe a également été pionnière dans le domaine des matériaux poreux hiérarchisés en découvrant le phénomène de formation qui a conduit à la création d’une nouvelle famille de matériaux poreux hiérarchisés avec trois ou quatre différentes porosités de tailles interconnectées incorporés dans un seul matériau solide. Actuellement, cette nouvelle famille de matériaux constitue un nouveau domaine de recherches d’un grand intérêt dans le domaine de conversion et stockage de l’énergie (batteries et photocatalyse) mais aussi dans le domaine de la capture et la valorisation du CO2 par la catalyse. 

Récemment, le Prof. Bao-Lian Su a organisé le lancement du nouveau portefeuille de projets BatFactory, financé dans le cadre du Plan de relance wallon. 

BatFactory vise à produire des batteries et des composants de batteries pour le stockage stationnaire de l'énergie électrique et les applications collectives. Le projet vise à tirer parti de l'expertise de la région wallonne en matière de R&I pour soutenir le développement d'entreprises locales. Parallèlement, il vise à produire des matériaux performants pour des batteries de stockage instrumentées en utilisant des procédés intelligents, respectueux de l'environnement et améliorant la circularité. Ce projet s'inscrit dans le cadre du plan de relance et reflète l’engagement du chercheur en faveur de l'innovation et des solutions énergétiques durables. 

Guillaume Berionni est membre du Namur Institute of Structured Matter (NISM). Il dirige actuellement une équipe de recherche composée de 14 doctorants, post-doctorants et étudiants en master. Le projet B-YOND financé par l’instrument du Conseil Européen de la Recherche ERC CoG, s’intéresse à la modification des propriétés d’éléments chimiques en vue d’amorcer la création d’une nouvelle génération de catalyseurs plus durables et plus accessibles. Cette bourse de 5 ans permet à des scientifiques exceptionnels de mettre en œuvre des concepts novateurs et renforce ainsi le paysage européen de la recherche.

Chemistry Europe, la Société européenne de chimie, est une organisation représentant les sociétés nationales de chimie et d'autres organisations liées à la chimie en Europe.  Objectif : créer une plateforme de discussion scientifique et à fournir une voix européenne unique et impartiale sur les questions politiques clés dans le domaine de la chimie et des domaines connexes.

Représentant plus de 130 000 chimistes issus de 50 sociétés membres, dont la Société Royale de Chimie (SRC) et les Jeunes Chimistes de la SRC pour le volet francophone belge, ainsi que d'autres organisations liées à la chimie en Europe, Chemistry Europe associée à l'organisation EuChemS s'appuie sur un réseau unique de chercheurs actifs dans tous les domaines de la chimie.

En promouvant la chimie et en fournissant son expertise et ses conseils scientifiques, Chemistry Europe et EuChemS visent à participer à la résolution des grands défis sociétaux actuels.

Une belle reconnaissance de l’expertise du chercheur dans le domaine de la conception de catalyseurs et de matériaux durable.  Félicitations à lui !

Ce projet a été financé par le Conseil européen de la recherche (CER) dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon Europe de l'Union européenne (convention de subvention n° 101044649.

Les membranes lipidiques sont des structures omniprésentes dans les cellules de tous les organismes unicellulaires et multicellulaires. Prenons l’exemple de la paroi d’une cellule, aussi appelée membrane plasmique, dont la fonction est de séparer l'intérieur de la cellule de l'extérieur : c’est en quelque sorte son armure. Elle est composée d’une vaste diversité d’acides gras (lipides) qui lui confèrent des propriétés toutes particulières.  Si l'on considère l'énorme variété d'espèces lipidiques disponibles, on peut commencer à saisir l'énorme complexité de ce système. 

Il avait déjà été constaté que des modifications de la composition des membranes lipidiques peuvent être indicatrices de la présence de certaines maladies, telles que le cancer, le diabète de type 2, ou encore les maladies d'Alzheimer et de Parkinson.  Dès lors, connaître la composition des membranes lipidiques de cellules malades et la comparer à celle d’une cellule saine permettrait sans aucun doute de trouver des moyens nouveaux pour diagnostiquer ces maladies.  Les études expérimentales de l'organisation des membranes cellulaires restent cependant difficiles techniquement.  Heureusement, les simulations informatiques peuvent aider à compléter les informations manquantes. Ainsi, la modélisation moléculaire s’avère être un outil crucial pour étudier la morphologie des systèmes complexes et fournir des images tridimensionnelles en temps réel de ces systèmes avec une résolution atomistique.

Le supercalculateur LUMI (Large Unified Modern Infrastructure) est l’un des éléments de l’entreprise commune européenne pour le calcul à haute performance (HPC), nommée EuroHPC JU. Cette dernière coordonne la mise en commun des ressources européennes pour développer des supercalculateurs haut de gamme pour le traitement des données volumineuses ou la réalisation de calculs complexes. Plus précisément, LUMI, c’est le supercalculateur le plus rapide d’Europe et le 5e plus rapide à l’échelle mondiale. Situé en Finlande, il est géré par le consortium LUMI, dont la Belgique fait partie, aux côtés de la Finlande, la République tchèque, le Danemark, l'Estonie, l'Islande, la Norvège, la Pologne, la Suède et la Suisse.

Ce consortium fournit un écosystème HPC de haute qualité, rentable et durable sur le plan environnemental (une alimentation basée sur l’utilisation de l’hydroélectricité alors que l’excédent est utilisé pour chauffer la ville voisine). Au cœur de l'expertise du consortium se trouve une solide tradition de collaboration en matière de formation et d'éducation au calcul intensif, d'assistance aux utilisateurs et de services de gestion des données.

L’équipe de chercheurs namurois a utilisé la superpuissance de calcul de LUMI pour repousser les limites actuelles de notre connaissance.  En effet, il leur été possible d’étudier en détails l’évolution d’une membrane plasmique réaliste possédant une composition similaire à celle d’une cellule saine. En incluant pas moins de 42 types de lipides différents couvrant une large variété de lipides, et des molécules de cholestérol, pour un total de plus de 3 millions d’atomes, ce travail représente réellement un exploit computationnel. Plus précisément, ils se sont intéressés à l’influence de la composition lipidique sur la réponse optique non-linéaire (ONL) de molécules sondes, des chromophores, insérés dans des membranes de complexité croissante. L’optique non-linéaire est une technique d’analyse très sensible, et le but de cette étude était de vérifier que l’environnement des chromophores, et donc la composition de la membrane, induisait des changements suffisamment importants dans cette réponse ONL pour être détectés.

Pour ce faire, des simulations numériques ont été utilisées. Elles combinent la dynamique moléculaire (afin de connaitre l’évolution temporelle du système) et les calculs de chimie quantique (pour prédire la réponse ONL). Ensuite, en combinant les résultats obtenus avec des outils de machine learning, il a été possible de mettre en évidence les facteurs qui influencent la réponse ONL dans cet environnement complexe, ouvrant la voie à l’étude d’autres membranes cellulaires, cette fois-ci typiques de cellules malades.

Légende de l'image : Simulation d’une membrane plasmique idéale incluant pas moins de 42 types de lipides différents et couvrant une large variété de lipides (acide phosphatidique [PA], phosphatitylcholine [PC], phosphatitylethanolamine [PE], phosphatitylinositol [PI], phosphatitylsérine [PS], sphingomyeline [SM], et diaglycerol [DAG]), des molécules de cholestérol [CHL], ainsi que des molécules sondes [di-8-ANEPPS] ayant une réponse optique non-linéaire [ONL], pour un total de plus de 3 millions d’atomes.

Dans l'ensemble, ce travail constitue un premier pas vers la compréhension de la coopération, de la synergie et des interactions qui se produisent dans les membranes lipidiques et ouvre de nouvelles pistes pour la conception de médicaments dans le domaine de la thérapie par les lipides membranaires.

Accéder à la publication Journal of Chemical Information and Modeling: "Multimillion Atom Simulations of Di-8-ANEPPS Chromophores Embedded in a Model Plasma Membrane: Toward the Investigation of Realistic Dyed Cell Membranes"

• 1992 : Docteur en Sciences (UNamur)
• 1994 : Prix IBM Belgium
• 2001 : Agrégé de l'Enseignement Supérieur (UNamur)
• 2012-2015 : Professeur de recherche Francqui
• 2010-2016 : Président du Consortium des Équipements de Calcul Intensif (CÉCI)
• 2020 : Chemistry Europe Fellow
• Directeur de la revue Chimie Nouvelle
• Membre du Pôle High Performance Computing (HPC) Multiscale Modelling du Namur Institute of Structured Matter (NISM)

• Benoît Champagne : aux fondements de la matière
• Une publication sur l'optique non linéaire

Le 50e anniversaire de la première promotion des Licences au Département de Chimie de l'UNamur sera célébré le samedi 20 avril 2024 à l’UNamur, dans l'après-midi et en soirée.  Plus d'infos...

Le Congrès des Chimistes Théoriciens d'Expression Latine (CHITEL) est une rencontre annuelle et historique dédiée à la chimie théorique. L'édition 2024 se tiendra à Namur, en Belgique, en juin-juillet 2024.  Plus d'infos...

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